DE2753891A1

DE2753891A1 - Windturbinenschaufel und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2753891A1
Application number: DE19772753891
Authority: DE
Inventors: Merritt Benton Andrews
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-17
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1978-06-22
Also published as: FR2374532A1; SE7713922L; US4081220A; GB1544010A; NO774137L; FR2374532B1; DK535577A

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbinenschaufel mit einem in Fadenwickeltechnik hergestellten Holm und einem in FadenwickeItechnik hergestellten verjüngten Hinterrandteil, der an dem Holm befestigt ist (wobei unter dem in der Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendeten Ausdruck "Faden" jedes fadenförmige Gebilde oder Filament zu verstehen ist).

Es sind Hochleistungswindmühlen entwickelt worden, deren Schaufeln erwünschtermaßen sehr lang sind und aus wenig kostend«

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und wenig wiegendem Werkstoff mit ausreichender Steifigkeit und Festigkeit hergestellt sein müssen. Es ist außerdem erforderlich, daß die Schaufeln eine wirksame Tragflügelgestalt haben, damit die beste Leistung erzielt werden kann. Durch die Fadenwickeltechnik können die gewünschten Formen zwar auf billige Weise hergestellt werden, diese Formen erfordern aber Änderungen der Faserausrichtung und der Wanddicke, die zur Erfüllung der Steifigkeit- und Festigkeitskriterien erforderlich sind.

Ein Merkmal der Erfindung ist eine Halbholmschaufel, bei welcher ein Holm auf einem insgesamt gleichmäßig geformten oder leicht verjüngten Dorn in Fadenwickeltechnik hergestellt wird, wobei die Fasern so ausgerichtet werden, daß die gewünschte Torsions- und Biegesteifigkeit sowie Torsions- und Biegefestigkeit erzielt werden. Wenn der Dorn aus dem Holm entfernt ist, wird anschließend ein Hinterrandteil in Fadenwicke1-technik um den Holm und auf einem parallelen Hinterranddorn hergestellt. Die Umhüllungen, die den Hinterrandteil bilden, werden eine Faserausrichtung haben, die einer kompatiblen Steifigkeitscharakteristik dieses Teils der Schaufel entspricht. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Bildung des Hinterrandteils auf dem Hauptteil der Schaufel, wobei aber das äußere Ende des Holms selbst in die fertige Schaufelform gebracht wird. Bei der Herstellung der gewünschten Tragflügelforraen für die Schaufel kann der Holm profiliert werden, entweder durch einen geformten Dorn oder nach dem Entfernen seines Doms, um mit dem Hinterranddorn die ge-

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wünschten Flügelprofile im Beeich des gesamten Hinterrandteils der Schaufel zu bilden. Ein weiteres Merkmal ist die Verwendung eines Fadens mit veränderlicher Dicke, um in der Nähe der Basis eine dickere Wand als an der Spitze zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung wird der Holm auf einem Dorn gewickelt, so daß nach dem Herausziehen des Doms ein hohler Holm vorliegt. Der äußere Teil des Holms kann massiv sein und selbst die fertige Schaufelgestalt bilden. An dem übrigen Teil des Holms wird ein Hinterranddorn befestigt, der abgeflacht worden sein kann, um den gewünschten Flügel prof ilvorderrandteil zu erzeugen, und aus der Kombination aus Holm und Hinterranddorn wird dann in Fadenwickeltechnik die fertige Schaufelform hergestellt. Der Hinterranddorn ist verjüngt, um die gewünschte Flügelprofilschaufelform zu erzeugen.Dieser Dorn kann nach Beendigung des Wickeins entfernt werden oder es kann ein nichtentfernbarer Dorn, beispielsweise aus Schaum, für sämtliche Schaufelwicklungen oder für einen Teil von ihnen benutzt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht des in Fadenwickeltechnik

hergestellten Holms,

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Fig. 2 eine Ansicht des Holms mit daran

befestigtem Hinterranddorn,

Fig. 3 eine Ansicht, nachdem die Wicklungen

fertiggestellt sind,

Fig. 4 eine Ansicht der fertigen Schaufel,

Fig. 5 eine Schnittansicht auf der Linie 5-5

von Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht auf der Linie 6-6 von

Fig. 4,

Fig. 7 eine Schnittansicht auf der Linie 7-7

von Fig. 4,

Fig. 8 eine Schnittansicht auf der Linie 8-8

von Fig. 4,

Fig. 9 eine Schnittansicht auf der Linie 9-9

von Fig. 4,

Fig. 10 einen Schnitt durch eine Ausführungsform

eines Fadens,

Fig. 11 einen Schnitt durch einen Faden größeren

Durchmessers, und 809825/0692

Fig. 12 einen Schnitt durch einen Faden mit noch

größerem Durchmesser.

Die Schaufeln sind extrem lang, einige von ihnen haben eine Länge von 30,5 m, was einen Rotor mit einem Durchmesser von 61 m ergibt. Die beigefügten Zeichnung gibt deshalb keinen Eindruck von der wahren Größe der Schaufel nach der Erfindung. Die Schaufeln sind bei Bemessungsbelastungen starken Biege- und Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt. Die Fadenschicht und die aufgebaute Wanddicke müssen so gewählt sein, daß sich eine ausreichende Torsions- und Biegesteifigkeit innerhalb der Flügelprofilgrenzen ergibt. Übermäßig dicke Flügelprofile beeinträchtigen die Leistung, während übermäßig dünne Flügelprofile größere Wanddicken erfordern und daher Gewicht und Kosten der Schaufeln erhöhen.

Ein Dorn 2 für den Holm wird mit einer solchen Querschnittsform hergestellt, daß, wenn der Faden gewickelt ist, er aus dem ihn umgebenden fertigen Holm herausgezogen werden kann. Der Dorn kann entweder einen kreisförmigen Querschnitt haben oder zu dem äußeren Ende hin abgeflacht sein, um die gewünschte Form der fertigen Schaufel zu erzeugen. In jedem Fall wird dieser Dorn in Fadenwickeltechnik von seiner Basis 4 zu seiner Spitze 6 hin aus irgendeinem Fadenmaterial hergestellt. Ein Faden ist ein Glasgespinstfaden, und diese Fäden sind mit Harz überzogen, um eine feste Materialmasse um den Dorn herum zu schaffen. Die gewickelten Fäden können kunststoffimprägniert oder vorbeschichtet sein und mehrere Fäden können Bänder bilden, die

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durch das Überzugsharz zusammengehalten werden, wobei diese Bänder auf den Dorn gewickelt werden. Diese Fäden werden auf den Dorn gewickelt, um den Holm 8 zu bilden. Beim Wickeln des Holms werden aufeinanderfolgende Fadenschichten unter einem solchen Winkel zu der Schaufelachse und zueinander angeordnet, daß eine maximale Biege- und Torionsfestigkeit erzeugt wird. Beispielsweise sind aufeinanderfolgende Schichten unter rechten Winkeln zueinander und unter 45 zu der Holmachse in vielen Fällen die beste Anordnung.

Statt dessen können die Fäden überzogen werden, wenn sie auf den Dorn gewickelt werden. In jedem Fall werden die Fäden in einer Schraubenlinienform auf den Dorn gewickelt, bis der Dorn vollständig mit der gewünschten Anzahl von Fadenschichten für die notwendige Festigkeit bedeckt ist. Dieser Holm ist zwar mit einer gleichmäßigen Wanddicke dargestellt, die Dicke kann jedoch von der Basis zur Spitze hin abnehmen, entweder durch mehr Fadenschichten nahe der Basis oder durch Einfügen von Gewebeschichten oder anderen Füllstoffen oder durch die Verwendung von Fäden, die so verjüngt sind,daß jeder Faden oder zumindest viele der Fäden, die an der Basis gewickelt werden, dicker sind als diejenigen, die an der Spitze gewickelt werden.

Nachdem der Holm 8 fertiggestellt ist, wird, wie in der Zeichnung dargestellt,ein Hinterranddorn oder -formkern 10 an ihm befestigt, um mit ihm einen Verbunddorn zu bilden,

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und dieser Verbunddorn wird dann schraubenlinienförmig mit einem Faden bewickelt, um die fertige Schaufel herzustellen. Der Hinterranddorn ist kürzer als der Holm, wie in Fig. 2 gezeigt, und verjüngt sich von der Basis zur Spitze, so daß die Breite der Schaufel zur Basis hin ständig zunimmt.

Die Fadenwicklung 12 auf dem Verbunddorn zur Bildung des Hinterrandteils 14 kann bis zu der gewünschten Dicke aufgebracht werden, die zwar in ihrer Gesamtheit gleichmäßig sein kann, vorzugsweise jedoch von der Basis zur Spitze hin zunehmend dünner wird, wie,dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Biege- und Torsionsfestigkeit, die die fertige Schaufel haben muß. Diese abnehmende Dicke wird, wie es in Verbindung mit dem Holm beschrieben worden ist, entweder durch allmähliches Verringern der Anzahl von Schichten von Windungen zu der Spitze hin oder durch Aufbringen von Fäden erzeugt werden, die einzeln in ihrer Dicke von der Basis zur Spitze der Schaufel hin abnehmen, oder durch Füllstoff oder durch alle diese Techniken kombiniert.

Eine veränderliche Fadendicke kann beispielsweise in der in den Fig. 10-12 dargestellten Art erzeugt werden, indem drei Fasern oder Stränge 16 für den kleinsten Durchmesser vereinigt werden, indem diese drei Fasern mit drei weiteren Fasern oder Strängen 18 für einen Faden mit mittleren Durchmesser umgeben werden, und in dem sechs weitere Fasern 20 für den größten Fadendurchmesser hinzugefügt werden. Die notwendige Länge desjenigen Teils jedes Durchmesser des

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fertigen Fadens für aufeinanderfolgende Windungen oder Wicklungen läßt sich mit dem Computer leicht bestimmen, und dieser Faden mit veränderlichem Durchmesser kann dann auf dem Dorn gewickelt werden, wobei sich die gewünschte Dicke an den geeigneten Stellen längs des Doms ergibt. Diese Windungen mit veränderlicher Fadendicke können durch eine Vorrichtung hergestellt werden, die mehrere Spulen an der Fadenwickelmaschine trägt und so gesteuert wird, daß die nötige Anzahl von Strängen aufgenommen wird, um den erforderlichen Durchmesser für die Teile der Schaufel, die gerade gewickelt werden, zu erzeugen. Stattdessen können diese Fäden veränderlichen Durchmessers vorgeformt und zum Wickeln mit den vorbestimmten Durchmessern zugeführt werden. In jedem Fall läßt sich die notwendige Länge jedes Durchmessers in der vollständigen Fadenwicklung aufgrund der Kenntnis der Abmessung des Doms und des Winkels der Wicklung leicht bestimmen.

Bei dem Bewickeln des Verbunddoms werden die aufeinanderfolgenden Schichten unter derartigen Winkeln zueinander angeordnet, daß sich die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit ergibt. Aufgrund der Holmkonstruktion kann es erwünscht sein, für diese Fäden andere Winkel als in dem Dorn je nach der erforderlichen Steifigkeit vorzusehen. Die letzte Wicklung bildet vorzugsweise rechte Winkel mit der Schaufelachse, um die beste Luftströmungsoberfläche auf der Schaufel zu schaffen.

Nachdem die Fadenwicklung beendigt worden ist, kann die

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Schaufelkonstruktion in herkömmlicher Weise erhitzt werden, um das Harz zum Erstarren zu bringen. Andere Schritte, wie das Umhüllen der fertigen Schaufel mit einer 90 -Wicklung, um die schraubenförmigen Fadenwicklungen und das Harz darauf für einen Aushärtungsvorgang unter Druck zu setzen, sind bekannt und brauchen nicht beschrieben zu werden, da sie nicht Teil der Erfindung sind.

Die fertige Schaufel hat eine kreisförmige Basis 22, die durch den Holm gebildet wird und mit der die Schaufel an der Rotornabe befestigt wird. Beispielsweise können metallische Einsätze oder Ringe in das Basisende gewickelt werden, um feste Stellen für die Befestigung zu schaffen. In der Nähe der Basis 22 beginnt der Hinterrandteil, und von dieser Stelle aus (Fig. 5-9) wird der Holm fortschreitend dünner, um mit dem zugeordneten Hinterrandteil wirksame Flügelprofile zu bilden, die zu dem äußeren Ende des Hinterrandteils der Schaufel hin ständig dünner werden. Die Flügelprofile sind daher der Schaufeldrehzahl an den betreffenden Durchmessern des fertigen Rotors am besten angepaßt.

Der Außenbordteil der Schaufel jenseits der Spitze 24 des Hinterrandteils der Schaufel ist der Holm selbst. Von hier bis zu der Schaufelspitze wird der Holm ebenfalls dünner und schmaler und die äußere Oberfläche des Holms ist die fertige Oberfläche dieses Teils der Schaufel. Der Holm kann zu der Schaufelspitze hin massiv statt hohl werden, falls das zweckmäßig oder erwünscht ist, oder ein leichtgewichtiger Füllstoff kann benutzt werden, um den Hohlraum

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ganz oder teilweise zu füllen. Das kann durch Einführen eines FüllStückes, durch Schäumen des Füllstoffes an Ort und Stelle oder durch Wickeln des Holms auf einem dauerhaften Schaumdorn erfolgen. Die Schichten von Fäden, die auf den Verbunddorn nahe der Spitze des Hinterranddoms aufgebracht werden, werden weniger und weniger, um eine glatte äußere Schaufeloberfläche in diesem Teil der fertigen Schaufel sicherzustellen.

Die fertige Schaufel, aus der der Hinterranddorn entfernt ist, hat mehrere Stützwände 26, die in den Hinterrandteilen der Schaufel angeordnet sind, um die Schaufel zu versteifen. Diese können eine nach der anderen eingesetzt werden, da sich die Ausnehmung von Ende zu Ende verjüngt. Die fertige Schaufel enthält offenbar den Holm und den Hinterrandabschnitt, wobei der Holm einen Teil des Verbunddorns während des Wickeins des Hinterrandteils gebildet hat. Es ist zu erkennen, daß der Vorderrand des Holms aus zwei Dicken von verfestigten Fäden hergestellt ist, wobei diejenigen des Holms selbst die innere Dicke ausmachen, während diejenigen der überlagerten Hinerrandteilfäden, die um den Holm herumgewickelt wurden, die äußere Dicke ausmachen.

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Lee AK,

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Claims

Patentansprüche:

'l.J Windturbinenschaufel, die sich von der Basis zur Spitze verjüngt, gekennzeichnet durch einen in FadenwickeItechnik hi gestellten Holm mit einem tragflügelförmigen Teil an der Spitze und in der Nähe derselben, der die fertige Form der Schaufel bildet und sich zur Spitze hin verjüngt, während der übrige Teil des Holms einen in Fadenwickeltechnik hergestellten, verjüngten Hinterrandteil hat, der an dem Holm befestigt ist, wobei sich die Fäden auf dem Hinterrandteil um den Holm erstrecken.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Fadenschichten von der Spitze zur Basis hin zunimmt, um die Schaufelfestigkeit zur Basis hin zu vergrößern.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden, die die Wicklungen bilden, an der Basis dicker als an der Spitze sind.
4. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Holms im Querschnitt so geformt ist, daß der gewünschte Flügelprofilquerschnitt mit dem daran angebrachten Hinterrandteil erzeugt wird.
5. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Fadenwickeltechnik hergestellte Holm die Schaufelgrundkonstruktion bildet, daß ein äußerer Teil des Holms an und in der Nähe der Spitze tragflügeiförmig ist und die fertige Form und die Oberfläche der Schaufel in diesem Teil bildet und daß der Hinterrandteil die Form eines hohlen Mantels hat, der sich von der Basis zu der Spitze hin verjüngt und auf dem übrigen Teil des Holms angeordnet ist, wobei dieser Hinterrandteil in Fadenwickeltechnik hergestellt ist und wobei die Fäden des Hinterrandteils sich auch um den Holm erstrecken und diesen einschließen, mit Ausnahme des äußeren Teils.
6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des in Fadenwickeltechnik hergestellten Hinterrandteils von der Basis zur Spitze hin abnimmt.
7. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gewickelten Fäden in der Größe von der Basis der Schaufel zu deren Spitze hin abnehmen, um eine Manteldicke mit

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den Fäden zu erzeugen, die von der Basis zu der Spitze der Schaufel hin abnimmt.
8. Verfahren zum Herstellen der Windturbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Wickeln von Fäden auf einen Dorn, um einen Holm zu bilden, wobei der Dorn auf dem Hauptteil seiner Länge einen im wesentlichen einheitlichen Querschnitt hat, während sich der übrige Teil zur Bildung der Schaufelspitze verjüngt, Anbringen eines verjüngten Hinterranddorns auf der Seite des gebildeten Holms, und

Bewickeln der Kombination aus Holm und Hinterrandteil mit Fäden, um die fertige Schaufel zu bilden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt:

Verformen des Holms, um mit dem Hinterranddorn die gewünschten Flügelprofile für die fertige Schaufel zu erzeugen.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen, die zum Bewickeln der Kombination aus Holm und Hinterranddorn benutzt werden, sich von der Basis zur Spitze der fertigen Schaufel hin verjüngen.

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