DE102015010453A1 - Flügel für Windenergieanlagen, Rotoren von Helikoptern oder Tragflächen von Kleinflugzeugen sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Rotorblätter werden aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt, die einen Formkern aufweisen, der mit einer Außenhaut überzogen ist oder es werden zwei Außenschalen aus Glasfaser verbunden. Es wurde vorgeschlagen ein Stützgerüst mit einer Hülle aus einem luftdichten, flexiblen Material zu überziehen. Die Nachteile bestehen darin, dass diese Flügel aufwändig hergestellt werden, durch einen Formkern ausgefüllt sind oder durch das flexible Tuchmaterial keine definierte aerodynamische Form aufweisen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flügel anzugeben, der bei einem geringen Gewicht eine hohe Stabilität aufweist und eine feste und glatte Oberfläche hat. Der erfindungsgemäße Flügel weist ein Stützgerüst 2, bestehend aus Querspanten 2.1 und Längsstreben 2.2 sowie eine aus einem Stück bestehende leichte luftundurchlässige Außenhaut 3 auf. Dabei bestehen eine definierte Anzahl von formschlüssigen Verbindungen 2.4 zwischen dem Stützgerüst 2 und der Außenhaut 3. Die Außenhaut 3 besteht aus einem fließfähigen aushärtbaren Material, sie umschließt das Stützgerüst und weist nach dem Aushärten an der Außenseite eine geschlossene glatte Oberfläche sowie das erforderliche aerodynamische Profil auf. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgerüst 2 in eine Form 4 eingelegt wird, die die endgültige aerodynamische Form des Flügels 1 aufweist. In die geschlossene Form 4 wird ein fließfähiges und aushärtbares Material eingefüllt. Dann wird die Form 4 zumindest um eine Achse gedreht und zumindest um eine weitere Achse geschwenkt, so dass das fließfähige Material alle Stellen der Form 4 von innen benetzt. Während dieser Bewegung wird das in fließfähigem Zustand in die Form eingefüllte Material in einem zeitlich und/oder temperaturgesteuerten Prozess zu einer festen und geschlossenen Außenhaut 3 ausgehärtet.
Description
- Die Erfindung betrifft einen formstabilen Flügel für Windenergieanlagen, Rotoren von Helikoptern oder Tragflächen von Kleinflugzeugen bestehend aus einem Stützgerüst und einer Umhüllung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Aus dem Flugzeugbau ist es bekannt, dass die Tragflächen aus einem Stützgerüst gefertigt werden, das mit Metallplatten beplankt wird. Diese Arbeit ist zeitaufwändig und materialintensiv. Entsprechend weisen solche Tragflächen ein relativ hohes Gewicht auf und lassen sich nur in großen Stückzahlen rentabel fertigen.
- In der
DE 93 15 747.9 U wird ein Rotorblatt aus faserverstärkten Kunststoffen mit einem biegesteifen Holm und glatter Flügeloberfläche für Windkraftanlagen vorgeschlagen bei dem ein Formkern aus einem druckfesten Schaumstoff ein mittleres Holmteil sowie ein vorderes und ein hinteres an das Holmteil angesetztes Profilteil aufweist. Das Holmteil sowie die beiden Profilteile bilden einen Formkern, die mit einer unidirektionalen Faserwicklung sowie einer darüber angeordneten Kreuzwicklung bewickelt werden. - Ein weiteres Beispiel zur Herstellung eines Rotorblatts ist in der
DE 10 2013 109 383 A1 offenbart. Bei diesem Verfahren werden zwei Außenschalen aus Glasfaser mit Harz infundiert. Sobald die zwei Schalen ausgehärtet sind, werden vorgefertigte, gehärtete Verbundwerkstoffholmstege mit einem Last aufnehmenden Gurt einer ersten Schale von den zwei Schalen verbunden. Die Verbindung findet typischerweise unter Verwendung eines Klebers, wie z. B. eines Epoxids oder eines anderen geeigneten Klebers, statt. Sobald der die erste Schale mit dem Holmsteg verbindende Kleber ausgehärtet ist, wird die zweite Schale an dem Holmsteg angebracht und damit verbunden. Anschließend wird die gesamte Anordnung gehärtet, um ein fertiges Windkraftanlagenblatt zu erzeugen. Diese Klebeverbindungsstellen können jedoch Gewicht und Komplexität zu dem Windkraftanlagenblatt beitragen und die für den Herstellungsprozess erforderliche Zeit verlängern. Zusätzlich kann die große Anzahl von Klebeverbindungsstellen auch die Fähigkeit zu engen Toleranzen und Übergangsstellen, insbesondere an Übergangsstellen zwischen der Schale und dem Holmsteg des Windkraftanlagenblattes ausschließen. - Bei diesen bekannten Rotorblättern ist die ordnungsgemäße Durchführung der Verklebung schwer zu kontrollieren, da sich die Klebeflächen im Inneren des Rotorblattes befinden. Da bei einer Durchbiegung des Flügels in den Klebeflächen große Spannungen auf treten, stellen die Klebefugen an der Blattvorder- und -hinterkante und die Klebefugen zwischen den Holmteilen und den Blattschalen erhebliche Schwachstellen im Rotorblatt dar.
- Die
DE 10 2012 108 125 A1 offenbart ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, das aus einem Körper besteht, der zumindest teilweise aus einem Kernmaterial (z. B. ein Schaumstoff) geformt ist. Das Rotorblatt weist innerhalb des Kernmaterials eine Mehrzahl von Scherelementen und eine Mehrzahl von Versteifungselementen auf. Das Rotorblatt kann zusätzlich eine Haut aufweisen, die sich um einen Außenumfang des Körpers erstreckt und eine Schutzbeschichtung für das Kernmaterial darstellt. - Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts offenbart, indem ein Blattformling maschinell bearbeitet oder auf andere Weise in die aerodynamische Form oder das Profil des Rotorblatts geformt wird. Eine äußere Haut kann dann auf einen Außenumfang des geformten Blattformlings aufgebracht werden, um die Außenfläche des Rotorblatts zu bilden und um eine Schutzbeschichtung für das Füllmaterial vorzusehen. Die Offenbarung sieht nicht vor, dass wesentlich Bauteile innerhalb des Rotorblatts zusammengebaut werden, um dem Blatt Steifigkeit und/oder Festigkeit zu verleihen. Die offenbarte Lösung dient der effizienten Herstellung von Prototyprotorblätter zum Testen neuer Strömungsprofildesigns und dergleichen.
- In der
DE 10 2011 056 342 A1 wird ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage vorgestellt, das ein Stützelement aufweist, das sich zumindest teilweise zwischen einer Wurzel und einer Spitze des Rotorblatts erstreckt. Das Rotorblatt weist auch eine Haut auf, die eine Außenfläche des Rotorblatts definiert. Zusätzlich kann sich ein Füllmaterial zwischen dem Stützelement und der Haut erstrecken und kann ein Profil des Rotorblatts definieren. Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorblatts offenbart. Das Verfahren umfasst allgemein das Bereitstellen eines Blattformlings, der zumindest teilweise aus einem Füllmaterial geformt ist, das Gestalten des Blattformlings zum Formen eines Profils des Rotorblatts und das Anordnen einer Haut um einen Umfang des gestalteten Blattformlings. - In der
DE 10 2010 011 802 A1 wird ein modular aufgebautes Rotorblatt für eine vertikale Windkraftanlage mit einer Einrichtung zur Befestigung an einem horizontal rotierbaren Tragarm der Windkraftanlage beschrieben. Dabei weist das Rotorblatt eine als Blattmodul ausgebildete Blattschale auf, an der form- oder stoffschlüssig jeweils eine als Blattmodul ausgebildete Profilvorderkante und eine form- oder stoffschlüssig aufgebrachte und als Blattmodul ausgebildeten Profilhinterkante angebracht sind. - Bei den beiden vorgenannten Lösungen ist der Flügel entweder aus einem festen Material geformt oder ist zumindest mit einem Füllmaterial ausgefüllt, was immer mit einem relativ hohen Gewicht verbunden ist. Außerdem sind hier aufwendige Fügeprozesse erforderlich.
- In der
DE 10337708 A1 wird eine Flügelausführung vorgeschlagen, bei der ein Stützgerüst, welches mit der Rotorwelle verbunden ist, mit einer Hülle aus einem hochfesten, luftdichten, flexiblen Material überzogen ist und der von der Hülle umschlossene Raum ein Auftriebsprofil begrenzt. Der Innenraum der Hülle kann entweder mit einem eingeschlossenen, erhöhten Luftdruck oder mit einem tragfähigen Kunststoffschaum gefüllt sein. Der Innenraum kann aber auch über Öffnungen im Nasenholm des Flügels vom Staudruck des Windes beaufschlagt sein. Das Stützgerüst ist bevorzugt aus gewölbten Formblechen, Metallstäben, Metallrohren, Kunststoff oder Holz gebildet. Das Stützgerüst hat lediglich die Aufgabe der Flügelformung, der Stützung des flexiblen Überzugs und der Drehmomentaufnahme und Übertragung auf die Drehwelle. Die vom Wind am Flügelprofil erzeugten Druck- und Sogkräfte, welche das Drehmoment erzeugen, werden vom Überzug, einer strumpfförmigen Hülle, aufgenommen, wobei auf der Druckseite der Überzug am Stützgerüst aufliegt und an der Sogseite abgehoben wird. Durch die Druck- und Sogkräfte wird die Hülle, welche eine feine Oberflächenstruktur aufweist, gestrafft und bildet dadurch, was besonders an der Sogseite wichtig ist, die erforderlich glatte Oberfläche, auch an den gekrümmten Flächen der Flügelkontur. - Diese Ausführung hat den Nachteil, dass die Hülle aus einem flexiblen Tuchmaterial besteht und das verwendete Stützgerüst keine formgebende Funktion hat, so dass der Flügel keine definierte aerodynamische Form aufweist. Um ein Auftriebsprofil zu erzeugen, wird in der Hülle, durch ein vorheriges Aufpumpen der Hülle, ein erhöhter Luftdruck im Innenraum des Flügels erzeugt. Alternativ sind im unteren Bereich des Buges am Nasenholm Öffnungen angebracht, über welche dann durch das Einströmen von Stauluft in den Flügelinnenraum die Hülle aufgeblasen wird. Insbesondere bei dieser Ausführung werden die Strömungsverhältnisse am Flügel ungünstig beeinflusst und Verluste erzeugt. Die nächste dort vorgeschlagene Alternative, dass der Innenraum des Flügels mit einem Hartschaum ausgefüllt ist hat den Nachteil, dass der Hartschaum beim Aushärten keine definierte Oberfläche bildet und keine homogene Gewichtsverteilung in der Hülle erreicht wird.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Flügel für Rotoren von Windenergieanlagen, Helikoptern und Tragflächen von Kleinflugzeugen anzugeben, der bei einem geringen Gewicht eine hohe Stabilität aufweist und eine feste und glatte Oberfläche hat. Er soll eine einstückige Außenhaut aufweisen und einfach herzustellen sein. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden mit dem dieser Flügel mit einfachen Verfahrensschritten herstellbar ist.
- Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Flügel, der die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Der Flügel weist ein Stützgerüst, das für Formstabilität und eine verwindungssteife Verbindung mit dem Motor/Generator der Windenergieanlage/Helikopter bzw. dem Flugzeug sorgt, und eine aus einem Stück bestehende leichte luftundurchlässige Außenhaut auf. Dabei bestehen eine definierte Anzahl von formschlüssigen Verbindungen zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut.
- Das Stützgerüst verfügt über eine Anzahl von parallel zueinander angeordneten Querspanten, die über die gesamte Länge des Flügels verteilt sind. Die einzelnen Querspanten sind mit einem Tragarm und/oder Längsstreben fest miteinander verbunden. Das Stützgerüst bildet die Grundform für die aerodynamische Außenkontur des Flügels. Der Tragarm ist fest mit dem Stützgerüst verbunden, er ragt aus dem Flügel heraus und dient der festen Verbindung des Flügels mit der Nabe eines Generators oder Motors bzw. mit dem Rumpf eines Flugkörpers. Vorzugsweise kann sich der Tragarm über die gesamte Länge des Flügels erstrecken und mit allen Querspanten des Stützgerüstes fest verbunden sein, er bildet somit quasi das „Rückgrat” des Flügels. Die Querspanten haben eine Außenkontur, die einem reduzierten Querschnitt des Flügels an der jeweiligen Position entspricht. Sie weisen jeweils an der Vorderkante eine Rundung auf und laufen nach hinten spitz zu, wobei die Wölbung an der Oberseite stärker ausgeprägt ist als die Wölbung an der Unterseite. Der Querschnitt der Querspanten ist gegenüber der Außenkontur des Flügels in etwa um die Dicke der Außenhaut reduziert.
- Das Stützgerüst weist Mittel auf, über die eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut hergestellt wird. Die Außenhaut besteht aus einem fließfähigen aushärtbaren Material, sie umschließt das Stützgerüst und weist nach dem Aushärten an der Außenseite eine geschlossene glatte Oberfläche sowie das erforderliche aerodynamische Profil auf. Sofern die Hinterkante des Flügels sehr spitz zuläuft, so dass nicht gewährleistet ist, dass das fließfähige Material ausreichend in die Hinterkante einfließen kann, kann es von Vorteil sein, eine vorgefertigte feste Hinterkante am Stützgerüst zu befestigen.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flügels können den abhängigen Sachansprüchen entnommen werden.
- Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flügels angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs 13 auf. Das fertiggestellte Stützgerüst wird in eine vorzugsweise aus zwei Schalen bestehende Form eingelegt, die die endgültige aerodynamische Form des Flügels aufweist. Dazu wird das Stützgerüst in die eine Schale gelegt, wobei ein geringer Abstand zwischen dem Stützgerüst und der Schale besteht. Dann wird die zweite Schale formschlüssig mit der ersten Schale verbunden, wobei auch hier ein geringer Abstand zwischen dem Stützgerüst und der Schale besteht. In die so entstandene geschlossene Form wird ein fließfähiges und aushärtbares Material eingefüllt. Dann wird die Form mit dem darin befindlichen Stützgerüst und dem fließfähigen Material zumindest um eine Achse, vorzugsweise die x-Achse (Länge des Flügels) gedreht und zumindest um eine weitere Achse, vorzugsweise die y-Achse geschwenkt, so dass das fließfähige Material alle Stellen der Form von innen benetzt. Um eine optimale Verteilung des fließfähigen Materials in der Form zu gewährleisten ist es zweckmäßig, wenn die Form während des Aushärtevorganges um alle drei Achsen gedreht wird. Während der Dreh- und/oder Schwenkbewegung härtet das in fließfähigem Zustand in die Form eingefüllte Material in einem zeitlich gesteuerten Prozess zu eine festen und geschlossenen Außenhaut aus. Durch die Menge des Materials wird die Dicke der Außenhaut definiert. Durch die Dreh- und/oder Schwenkbewegung der Form wird gewährleistet, dass die Dicke der Außenhaut an allen Stellen des Flügels gleich stark ist. Durch die gezielte Steuerung des Aushärteprozesse und der Dreh-/Schwenkbewegung ist es möglich die Außenhaut an bestimmten Stellen gezielt stärker zu gestalten. Die am Stützgerüst befindlichen Mittel zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung werden von dem fließfähigen Material während des Härteprozessen umschlossen, so dass nach dem Aushärten an diesen Stellen formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut entstanden sind. Als fließfähiges und aushärtbares Material wird bevorzugt ein thermoplastischer Werkstoff verwendet. Der thermoplastische Werkstoff hat den Vorteil, dass durch die Temperatur die Fließfähigkeit gezielt eingestellt werden kann, so dass das Material gut alle Stellen der Form erreicht und das Stützgerüst gut umflossen wird. Der Aushärteprozess des thermoplastischen Werkstoffs kann gut über den gewählten Temperaturgradienten und den Temperaturverlauf an definierten Stellen der Form gesteuert werden.
- Die Querspanten sind vorzugsweise Flächengebilde mit großflächigen Aussparungen. Ihre Außenkontur entspricht einem reduzierten Flügelquerschnitt an der jeweiligen Position im Stützgerüst. Sie weisen an ihrer Außenkontur Mittel auf, die mit der Außenhaut eine formschlüssige Verbindung aufweisen. Im Inneren weisen die Querspanten neben einer definierten Ausnehmung zur Aufnahme des Tragarms, der hier fest mit dem jeweiligen Querspanten verbunden ist, weitere großflächige Aussparungen/Durchbrüche auf. Die Mittel über die formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst und der Außenhaut hergestellt werden, bestehen aus Ausnehmungen bzw. Ausstülpungen an den Außenkonturen der Längsstreben und/oder den Querspanten.
- Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Der erfindungsgemäße Flügel ist im gewählten Beispiel ein Rotorblatt einer Windenergieanlage. Die zugehörigen Figuren zeigen:
-
1 : Perspektivische Ansicht des Flügels -
2 : Perspektivische Ansicht des Stützgerüstes -
3 : Seitenansicht eines Querspanten -
4 Seitenansicht eines Querspanten mit Mitteln zur formschlüssigen Verbindung in Form von Löchern -
5 Seitenansicht eines Querspanten mit Mitteln zur formschlüssigen Verbindung in Form von schwalbenschwanzförmigen Einkerbungen -
6 Querschnitt durch die Form mit eingelegtem Stützgerüst - In der
1 ist eine perspektivische Ansicht des Flügels1 dargestellt. Der Flügel1 erstreckt sich in x-Richtung von der Wurzel1.1 bis zur Spitze1.2 . In der y-Richtung erstreckt sich der Flügel1 von der Vorderkante1.3 bis zur Hinterkante1.4 . Die sichtbare Fläche ist die Druckseite1.6 , während die Sogseite1.5 hier unter dem Flügel liegt. Die Oberfläche des Flügels1 ist von der Außenhaut3 bedeckt. - In der
2 wird eine perspektivische Ansicht des Stützgerüstes2 des Flügels1 gezeigt. Das Stützgerüst2 besteht aus einer Anzahl n von parallel zueinander angeordneten Querspanten2.1 , die senkrecht zur Längsachse x, in der y-z Ebene des Flügels1 ausgerichtet sind. Die Querspanten2.1 weisen zueinander einen Abstand a auf. Der Abstand a kann jeweils gleich sein, aber auch in Abhängigkeit von der geforderten Festigkeit/Steifigkeit des Flügels1 variieren. Die Gesamtzahl n der Querspanten2.1 wird ebenfalls von der Länge L und der gewünschten Festigkeit/Steifigkeit des Flügels1 bestimmt. Im gewählten Beispiel beträgt die Länge L des Flügels 5 m. Die Breite des Flügels1 , von der Vorderkante1.3 bis zur Hinterkante1.4 beträgt an seiner breitesten Stelle 500 mm. Die Anzahl n der Querspanten2.1 beträgt 12, die hier mit einem gleichmäßigen Abstand a zueinander über die gesamte Länge des Flügels1 verteilt sind. In der2 ist das Stützgerüst2 geschnitten dargestellt, da hier nicht alle 12 Querspanten2.1 dargestellt sind. Die Querspanten2.1 sind untereinander durch Längsstreben2.2 und/oder einen Tragarm2.3 verbunden. Die Längsstreben2.2 und der Tragarm2.3 verlaufen in der Längsachse x der Flügels1 . Der Tragarm2.3 ragt an seiner Wurzel1.1 aus dem Flügel1 heraus und stellt das Verbindungselement des Flügels1 mit der Nabe eines Generators von Windenergieanlagen oder Motors von Helikoptern bzw. dem Rumpf eines Kleinflugzeuges dar. Der Tragarm2.3 kann sich innerhalb des Stützgerüstes2 über die gesamte Länge L des Flügels1 erstrecken und mit allen n Querspanten2.1 des Stützgerüstes2 fest verbunden sein. In Abhängigkeit von der Länge L des Flügels1 und der geforderten Festigkeit/Steifigkeit des Flügels1 kann sich der Tragarm aber auch nur über einen Teil der Länge L des Flügels1 erstrecken und nur mit einer geringen Anzahl von Querspanten2.1 , zumindest aber mit dem ersten Querspanten2.1 A fest verbunden sein. Bei dem gezeigten Flügel1 erstreckt sich der Tragarm über eine Länge von 4,5 m über 11 Querspanten2.1 . Die Anzahl der Längsstreben2.2 beträgt im gezeigten Beispiel 2, die sich über die gesamte Länge des Flügels1 von der Wurzel1.1 des Flügels1 bis zur Spitze1.2 erstrecken. Sofern die Hinterkante1.4 des Flügels1 sehr spitz zuläuft, so dass nicht gewährleistet ist, dass das fließfähige Material ausreichend in die Hinterkante1.4 einfließen kann, kann es von Vorteil sein, eine vorgefertigte feste Hinterkante1.4 am Stützgerüst2 zu befestigen. Das gleiche gilt für die Spitze1.2 des Flügels, auch hier kann eine vorgefertigte feste Spitze mit dem letzten Querspanten2.1 E oder den längsten Längsstreben2.2 des Stützgerüstes2 fest verbunden werden. - Die
3 zeigt eine Seitenansicht eines Querspanten2.1 . Die Außenkontur des dargestellten Querspanten2.1 entspricht einem reduzierten Querschnitt des Flügels1 an der entsprechenden Stelle. Die Vorderkante1.3 weist eine Rundung auf, während die Hinterkante1.4 spitz zuläuft. Die Sogseite1.5 weist eine stärkere Wölbung als die Druckseite1.6 auf. Der dargestellte Querspanten2.1 weist großflächige Ausnehmungen2.1 S und2.1 T auf. Die Ausnehmung2.1 T dient der Aufnahme des Tragarms2.3 , der durch diese Ausnehmung geführt ist und an dieser Stelle mit dem Querspanten2.1 fest verbunden ist. Die großflächigen Ausnehmungen2.1 S dienen einerseits der Gewichtsreduzierung, sind aber vorwiegend erforderlich, damit das fließfähige Material während des Aushärteprozesses bei der Dreh- und oder Schwenkbewegung der Form nahezu ungehindert durch die Querspanten2.1 hindurchfließen und an alle Stellen der Form gelangen kann. Die Querspanten2.1 sind Flächengebilde, deren Außenkontur einem reduzierten Querschnitt des Flügels1 an der jeweiligen Stelle entspricht. Die Querspanten2.1 bestehen vorzugsweise aus Aluminium. Diese können gestanzt oder per Laserschnitt hergestellt werden. Im beschriebenen Beispiel werden Querspanten2.1 aus Aluminium verwendet, die eine Stärke von 5 mm haben. Als Längsstreben2.2 werden Rundstäbe aus Aluminium verwendet, die einen Durchmesser von 10 mm haben. In Abhängigkeit vom verwendeten Material für die Querspanten2.1 und Längsstreben2.2 werden bekannte Verfahren zur festen Verbindung der Längsstreben2.2 mit den Querspanten2.1 gewählt. Bei unserem Beispiel werden die Querspanten mit den Längsstreben durch Schweißen verbunden. - Die
4 zeigt eine Seitenansicht eines Querspanten2.1 , bei dem die Mittel2.4 zur formschlüssigen Verbindung zwischen Stützgerüst2 und Außenhaut3 des Flügels1 aus Löchern bestehen, indem in geringem Abstand zur Außenkontur des Querspanten2.1 kleine Bohrungen angebracht sind. In diese Bohrungen2.4 fließt das noch fließfähige Material, so dass feste formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst2 und der Außenhaut3 nach dem Aushärten bestehen. - Die
5 zeigt eine Seitenansicht eines Querspanten2.1 mit alternativen Mitteln2.4 zur formschlüssigen Verbindung zwischen Stützgerüst2 und Außenhaut3 , indem schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen in der Außenkontur der Querspanten2.1 angebracht sind. Alternativ können diese Mittel2.4 auch aus beispielsweise pilzförmigen Ausstülpungen an der Außenkontur der Querspanten2.1 bestehen. Vorteilhafterweise weisen auch die Längsstreben2.2 an der Außenkontur derartige Mittel2.4 zur formschlüssigen Verbindung mit der Außenhaut3 auf. In diese schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen2.4 fließt auch hier das noch fließfähige Material, so dass ebenfalls feste formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst2 und der Außenhaut3 nach dem Aushärten bestehen. Somit ist gewährleistet, dass die Außenhaut3 , über möglichst viele Stellen über die gesamte Oberfläche des Flügels1 verteilt, fest mit dem Stützgerüst2 verbunden ist. In der5 ist zusätzlich ein Ausschnitt5 mit dargestellter Außenhaut3 als Detail dargestellt, aus der die Dicke D der Außenhaut3 , die bei dem erfindungsgemäßen Flügel zwischen 3 und 10 mm beträgt, mit den formschlüssigen Verbindungen2.4 im Querspanten2.1 deutlicher ersichtlich ist. - In der
6 wird ein Querschnitt durch die Form4 mit dem eingelegten Stützgerüst2 gezeigt. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass zwischen der Außenkontur des Querspanten2.1 und der Außenkontur des Flügels1 ein Abstand d besteht. Dieser Abstand d wird beim Einlegen des Stützgerüstes2 in die Form durch entsprechende Abstandshalter4.3 gewährleistet und beträgt hier 3 mm. Die Dicke D der Außenhaut3 beträgt im gewählten Beispiel 4 mm. Der Abstand d ist stets kleiner als die Dicke D der Außenhaut3 , um zu gewährleisten, dass die Mittel2.4 zur formschlüssigen Verbindung zwischen Stützgerüst2 und Außenhaut3 in jedem Fall von dem fließfähigen Material umflossen werden um die formschlüssigen Verbindungen zu bilden. Auch in der6 ist zusätzlich ein Ausschnitt5 mit dargestellter Außenhaut3 als Detail dargestellt, aus der die Dicke D der Außenhaut3 sowie der Abstand d zwischen dem Querspanten2.1 und der oberen Schale4.4 der Form4 , der durch den Abstandshalter4.3 gewährleistet wird, deutlicher ersichtlich ist. - Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Flügels an Hand eines Beispiels erläutert werden. Im beschriebenen Beispiel wird als Material für die Außenhaut ein thermoplastischer Werkstoff, beispielsweise Polypropylen verwendet. Die Form
4 in der der Flügel1 hergestellt wird, besteht aus zwei Schalen, einer oberen Schale4.1 und einer unteren Schale4.2 , die nachdem das Stützgerüst2 eingelegt wurde, zusammengefügt werden. Die beiden Schalen4.1 ,4.2 sind derart passgenau, dass keine Fuge entsteht, an der sich ein Grat ausbilden könnte. Die Innenkontur der Form4 entspricht der Außenkontur des herzustellenden Flügels1 . In einem ersten Arbeitsschritt wird das Stützgerüst2 in die untere Schale4.2 gelegt. Durch in die Form eingelegte Abstandshalter4.3 wird gewährleistet, dass ein definierter Abstand d zwischen dem Stützgerüst2 und der ersten Schale besteht. Nachdem das Stützgerüst2 in der unteren Schale4.2 ausgerichtet ist, wird die Form4 geschlossen, indem die obere Schale4.1 um das Stützgerüst2 angeordnet wird. Dabei wird ebenfalls durch am Stützgerüst2 befindliche Abstandshalter4.3 gewährleistet, dass das Stützgerüst2 in der Form4 in allen drei Richtungen fixiert ist und an jeder Stelle der Mindestabstand d eingehalten ist. Die Form befindet sich in einem Gestell, welches die Form um mindestens eine Achse drehen und um zumindest eine andere Achse um mindestens 30° schwenken kann. Die geschlossene Form wird auf eine Temperatur von ca. 200°C vorgeheizt. Im nächsten Arbeitsschritt wird das flüssige Polypropylen in die Form eingefüllt. Die Menge des Materials wird entsprechend der Länge L und Breite B des Flügels1 sowie der gewünschte Dicke D der Außenhaut3 berechnet. Für das Beispiel werden 25 l des Polypropylen in die Form gefüllt. Sobald die Form befüllt ist, wird das Gestell mit der Form um die x-Achse gedreht und gleichzeitig um die z-Achse um 30° geschwenkt. Dabei fließt der Werkstoff durch die Ausnehmungen2.1 S an alle Stellen des Forminnern. Während der ständigen Dreh-/Schwenkbewegung der Form wird das Polypropylen nach einem definierten zeitlich gesteuerten Prozess abgekühlt, wobei das Material zu einer festen und geschlossenen Außenhaut3 aushärtet. Eine optimale Verteilung des fließfähigen Materials wird erreicht, wenn das Gestell mit der Form4 um all drei Achsen rotiert. - Durch die Menge des Materials wird die Dicke der Außenhaut
3 definiert. Durch die Dreh- und/oder Schwenkbewegung der Form wird gewährleistet, dass die Dicke der Außenhaut3 an allen Stellen des Flügels1 gleich stark ist. Durch die gezielte Steuerung des Aushärteprozesse und der Dreh-/Schwenkbewegung ist es aber auch möglich die Außenhaut3 an bestimmten Stellen gezielt stärker zu gestalten. Die am Stützgerüst2 befindlichen Mittel2.4 zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung werden von dem fließfähigen Material während des Härteprozesses umschlossen, so dass nach dem Aushärten an diesen Stellen formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst2 und der Außenhaut3 entstanden sind. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Flügel
- 1.1
- Wurzel
- 1.2
- Spitze
- 1.3
- Vorderkante
- 1.4
- Hinterkante
- 1.5
- Sogseite
- 1.6
- Druckseite
- 2
- Stützgerüst
- 2.1
- Querspanten
- 2.1A
- Anfangsspant
- 2.1E
- Endspant
- 2.1T
- Ausnehmung im Querspant für Tragarm
- 2.1S
- großflächige Ausnehmung im Querspant
- 2.2
- Längsstreben
- 2.3
- Tragarm
- 2.4
- Mittel zur formschlüssigen Verbindung
- 3
- Außenhaut
- 4
- Form für die Außenhaut
- 4.1
- Obere Schale der Form
- 4.2
- Untere Schale der Form
- 5
- Ausschnitt mit dargestellter Außenhaut (Detail)
- a
- Abstand der Querspanten zueinander
- n
- Anzahl der Querspanten
- L
- Länge des Flügels (in x-Richtung)
- B
- Breite des Flügels (in y-Richtung)
- H
- Höhe des Flügels (in z-Richtung)
- d
- Abstand zwischen Stützgerüst und Form
- D
- Dicke der Außenhaut
- x-Richtung
- Längsrichtung des Flügels von der Wurzel zur Spitze
- y-Richtung
- Querrichtung des Flügels von der Vorderkante zur Hinterkante
- z-Richtung
- Höhe des Flügels von der Sogseite zur Druckseite
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- DE 102013109383 A1 [0004]
- DE 102012108125 A1 [0006]
- DE 102011056342 A1 [0008]
- DE 102010011802 A1 [0009]
- DE 10337708 A1 [0011]
Claims (19)
- Flügel für Windenergieanlagen, Rotoren von Helikoptern oder Tragflächen von Kleinflugzeugen aufweisend ein Stützgerüst, das der Formstabilität und verwindungssteifen Verbindung mit dem Motor/Generator der Windenergieanlage oder dem Helikopter bzw. dem Flugzeug dient und eine um das Stützgerüst herum angeordnete luftundurchlässige Hülle, welche die erforderliche aerodynamische Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgerüst (
2 ), das die Grundform für die aerodynamische Außenkontur des Flügels (1 ) aufweist, über eine Anzahl (n) von parallel zueinander angeordneten und in der y-z Ebene ausgerichteten Querspanten (2.1 ) verfügt, die über die gesamte Länge (L) des Flügels (1 ) verteilt sind, wobei die einzelnen Querspanten (2.1 ) mit einem Tragarm (2.3 ), der an der Wurzel (1.1 ) des Flügels (1 ) aus diesem herausragt, und/oder Längsstreben (2.2 ) fest miteinander verbunden sind und die starre Außenhaut (3 ) aus einer dünnen einstückigen Materialschicht besteht, die das gesamte Stützgerüst (2 ) umschließt und eine definierte aerodynamische Form aufweist, wobei die Außenhaut (3 ) über eine definierte Anzahl von formschlüssigen Verbindungen fest mit dem Stützgerüst (2 ) verbunden ist. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querspanten (
2.1 ) eine Außenkontur aufweisen, die einem reduzierten Querschnitt des Flügels (1 ) an der jeweiligen Position entspricht. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragarm (
2.3 ) sich über einen Teil oder die gesamte Länge (L) des Flügels (1 ) erstreckt und zumindest mit dem ersten Querspanten, dem Anfangsspant (2.1 A) oder mehreren oder mit allen Querspanten (2.1 ) verbunden ist. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest jeweils eine Längsstrebe (
2.2 ) an der Sogseite (1.5 ) und an der Druckseite (1.6 ) des Flügels (1 ) bzw. in der Nähe der Vorderkante1.3 und der Hinterkante1.4 über nahezu die gesamte Länge des Flügels (1 ) erstrecken und mit allen Querspanten (2.1 ) verbunden ist. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anzahl der Längsstreben (
2.2 ) in Längsrichtung des Flügels (1 ) zur Spitze (1.2 ) hin verringert. - Flügel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querspanten (
2.1 ) Flächengebilde sind, die zumindest zwei großflächige Ausnehmungen (2.1 S) und (2.1 T) aufweisen, von denen zumindest eine Ausnehmung (2.1 T) der Aufnahme des Tragarms (2.3 ) dient. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstreben (
2.2 ) und/oder die Querspanten (2.1 ) an ihrer Außenkontur Mittel (2.4 ) zur formschlüssigen Verbindung mit der Außenhaut (3 ) aufweisen. - Flügel nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (
2.4 ) durch Ausnehmungen, beispielsweise in Form von schwalbenschwanzförmigen Einkerbungen oder Bohrungen, bzw. Ausstülpungen ausgeführt sind. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgefertigte feste Hinterkante (
1.4 ) am Stützgerüst (2 ) befestigt ist. - Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgefertigte feste Spitze (
1.2 ) am letzten Querspant, dem Endspant (2.1 E) befestigt ist. - Flügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querspanten (
2.1 ) aus Kunststoffplatten oder Blechen geschnitten sind. - Flügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querspanten (
2.1 ) aus Kunststoffspritzteilen bestehen. - Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 1, bei dem ein Stützgerüst von einer luftundurchlässigen einstückigen und festen Außenhaut eingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgerüst (
2 ) in eine aus mindestens zwei Schalen (4.1 ,4.2 ) bestehende Form (4 ), die die endgültige aerodynamische Form des Flügels (1 ) aufweist, gelegt und darin fixiert wird, anschließend wird die Form mit einer definierten Menge eines fließfähigen und aushärtbaren Materials befüllt, danach wird die Form zumindest um eine Achse, vorzugsweise die x-Achse (Länge des Flügels) gedreht und zumindest um eine weitere Achse, vorzugsweise die y-Achse geschwenkt, so dass das fließfähige Material alle Stellen der Form von innen benetzt und während dieser Bewegung das in fließfähigem Zustand in die Form (4 ) eingefüllte Material in einem zeitlich und/oder temperaturgesteuerten Prozess zu einer festen und geschlossenen Außenhaut (3 ) ausgehärtet wird. - Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgerüst (
2 ) durch entsprechende Abstandshalter (4.3 ) in der Form (4 ) fixiert wird wobei gewährleistet wird, dass zwischen dem Stützgerüst (2 ) und der Form an jeder Stelle ein minimaler Abstand (d) eingehalten wird, wobei dieser Abstand (d) kleiner als die Dicke (D) der Außenhaut (3 ) ist. - Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des fließfähigen Materials derart bemessen wird, dass an allen Stellen der Form (
4 ) eine definierte Dicke (D) der Außenhaut (3 ) gewährleistet wird. - Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Stützgerüst (
2 ) in die erste Schale (4.2 ) und in einem zweiten Verfahrensschritt eine weitere Schale (4.1 ) derart über das Stützgerüst (2 ) gelegt wird, dass das Stützgerüst (2 ) von der Form (4 ) völlig umschlossen ist und zwischen den Schalen (4.1 ,4.2 ) keine Fuge besteht. - Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die am Stützgerüst (
2 ) befindlichen Mittel zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung (2.4 ) von dem fließfähigen Material während des Härteprozesses umschlossen werden, so dass nach dem Aushärten an diesen Stellen formschlüssige Verbindungen zwischen dem Stützgerüst (2 ) und der Außenhaut (3 ) entstanden sind. - Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Material ein Thermoplast ist.
- Verfahren zur Herstellung des Flügels nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Thermoplast in eine vorgeheizte Form (
4 ) eingefüllt wird und während der Dreh- und/oder Schwenkbewegung der Form (4 ) diese nach einem definierten Verlauf abgekühlt wird bis sich eine feste geschlossene Außenhaut (3 ) gebildet hat.
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