ЭЛЕМЕНТ ЛОПАСТИ РОТОРА ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, ЛОПАСТЬ РОТОРА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ ЛОПАСТЬ РОТОРА
ROTOR BLADE ELEMENT FOR A WIND TURBINE, ROTOR BLADE AND A PRODUCTION PROCESS THEREFOR AND WIND TURBINE WITH ROTOR BLADE

Изобретение касается элемента лопасти ротора для ветроэнергетической установки, лопасти ротора, а также способа изготовления элемента лопасти ротора или, соответственно, лопасти ротора. Кроме того, изобретение касается ветроэнергетической установки.
Лопасти ротора для ветроэнергетических установок известны уже давно и описаны, например, в DE 10 2004 007 487 A1 и DE 103 19 246 A1. При их эксплуатации они подвержены воздействию высоких нагрузок вследствие давления ветра, эрозии, колебаний температуры, ультрафиолетового облучения, а также осадков. При скоростях вершин лопастей, достигающих 300 км/ч, песчинки, частицы соли, насекомые или другие находящиеся в воздухе компоненты оказывают абразивное действие. Это наносит ущерб поверхности лопастей ротора, в частности в области передней кромки. В этих местах происходит разрушение поверхности ротора и вместе с тем потеря аэродинамики и устойчивости.
Но одновременно лопасти ротора должны быть как можно более легкими, для снижения изгибающих нагрузок, воздействующих на ступицу лопастей ротора, если она имеется, а также соответствующие подшипники и башню ветроэнергетической установки. Оказалось целесообразным изготовление лопастей ротора из отдельных элементов и соединение этих элементов друг с другом в одну лопасть ротора, подобную полой камере. В качестве элементов лопасти ротора обычно выбираются сторона давления лопасти ротора, сторона разрежения лопасти ротора и одна или несколько соединительных перемычек для соединения и придания жесткости стороне давления и разрежения лопасти ротора. Также зарекомендовало себя цельное изготовление стороны давления и разрежения лопасти ротора и уже при этом изготовлении расположение в необходимых местах перемычек.
Обычно лопасти ротора и элементы лопастей ротора изготавливаются способом формования, при котором волокнистые материалы и/или материалы сердцевины, в частности бальзовая древесина, закладываются в форму элемента лопасти ротора и заливаются затвердевающей смолой для образования композитного материала, способного к восприятию нагрузок. В качестве смолы при изготовлении лопастей ротора или, соответственно, элементов лопастей ротора часто применяются эпоксидные смолы. Они хорошо подходят для конструкции основания лопасти ротора или элемента лопасти ротора из волокнистого материала и отверждаемой смолы. Специалист поймет термин «отверждаемая смола» в контексте настоящего изобретения как указание на характерное свойство этой смолы, а не как свойство материала, фактически еще имеющееся у лопасти ротора или, соответственно, элемента лопасти ротора.
Для защиты лопастей ротора или, соответственно, элементов лопастей ротора от погодных воздействий и, в частности, от эрозии делались попытки применения поверхностного слоя способом нанесения гелькоута, который описан в DE 10 3 44 379 A1. Недостатком при этом является необходимость соблюдения при таком способе соответствующего времени обработки, пока смесь гелькоута не прореагирует в такой степени, чтобы ее можно было обкладывать волокнистым материалом. Это приводит к нежелательному замедлению способа изготовления лопасти ротора или элемента лопасти ротора. Кроме того, при способе нанесения гелькоута невозможно в любой момент прерывать изготовление элемента лопасти ротора или, соответственно, лопасти ротора, чтобы обеспечить возможность соединения между поверхностным слоем гелькоута и инфузионной смолой. Кроме того, делались попытки наклеивания поверхностных пленок на лопасть ротора или элемент лопасти ротора, или последующего крепления иным способом с возможностью отсоединения на лопасти ротора или элементе лопасти ротора. Например, на лопасть ротора наклеивались полиуретановые пленки. Другой возможностью из уровня техники в соответствии с DE 10 2009 002 501 A1 является изготовление сшитого композита из поверхностной пленки и инфузионной смолы. И этот способ возможен, в частности, с полиуретаном. Полиуретан обладает высокой устойчивостью к истиранию. Несомненно, желательно улучшить прочность на истирание лопастей ротора или, соответственно, элементов лопастей ротора.
В приоритетной заявке Немецкое ведомство по патентам и торговым маркам произвело исследование следующего уровня техники: DE 10 2011 004723 A1, US 2010/0032948 A1, EP 2416950 B1, WO 2013/045087 A1.
Здесь применяется изобретение, задачей которого является предложить элемент лопасти ротора, лопасть ротора и ветроэнергетическую установку, усовершенствованные относительно уровня техники. Должно быть предложено по меньшей мере одно альтернативное решение для решения, известного из уровня техники.
Эта задача в отношении устройства решается с помощью элемента лопасти ротора п.1 формулы изобретения. Элемент лопасти ротора для ветроэнергетической установки, предлагаемый изобретением, имеет основание, содержащее волокнистый материал, пропитанный отверждаемой смолой, и поверхностную пленку, а также расположенный между основанием и поверхностной пленкой скрепляющий слой. При этом поверхностная пленка включает в себя полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой (ПЭ-СВММ), а скрепляющий слой включает в себя первый резиновый слой, который находится на поверхностной пленке, и второй резиновый слой, который находится на основании.
В основе изобретения лежит тот обнаруженный факт, что при применении поверхностных пленок, содержащих ПЭ-СВММ, возможно значительное улучшение прочности элементов лопастей ротора к истиранию. Кроме того, изобретение включает в себя тот обнаруженный факт, что нанесение и прочное соединение ПЭ-СВММ с основанием элемента лопасти ротора из волокнистого материала и отверждаемой смолы, в частности эпоксидной смолы, предпочтительно возможно посредством скрепляющего слоя, включающего в себя два резиновых слоя. ПЭ-СВММ отличается очень хорошими прочностями к износу и к истиранию даже в абразивных средах, его прочность к истиранию в шесть раз выше, чем у полиуретана. Наряду с этим ПЭ-СВММ обладает великолепной химической стойкостью, а также низким коэффициентом трения, выдающейся устойчивостью к деформации и высокой ударной вязкостью даже при низких температурах. Эти свойства делают ПЭ-СВММ особенно интересным для применения в качестве поверхностной пленки для защиты от эрозии, однако ПЭ-СВММ обладает лишь очень плохой способностью скрепления с помощью традиционный клеев. В частности, эпоксидные смолы не пригодны к непосредственному скреплению с полиэтиленом, в частности ПЭ-СВММ. Однако в основе изобретения лежит тот обнаруженный факт, что посредством скрепляющего слоя из двух резиновых слоев можно наносить пленки из ПЭ-СВММ также на элементы лопастей ротора или, соответственно, лопасти ротора на основе эпоксидной смолы, и таким образом улучшать прочность к истиранию элементов лопастей ротора или, соответственно, лопастей ротора.
Под вулканизацией в контексте этой заявки понимается любая реакция сшивания полимеров, которые содержатся в первом и/или втором резиновом слое. Под резиной в контексте этой заявки понимается вулканизированный, то есть сшитый каучук, иначе выражаясь, полимеризированный каучук.
Концепция изобретения находит применение для элемента лопасти ротора вообще, также независимо от способа изготовления. Однако особенно предпочтительным оказался элемент лопасти ротора, который изготовлен в соответствии с концепцией изобретения способом изготовления по п.10 формулы изобретения. Однако в принципе для изготовления могут также использоваться иные способы, чем заявленный способ изготовления. Способ изготовления в соответствии с концепцией изобретения включает в себя следующие шаги:
a) предоставление поверхностной пленки, содержащей ПЭ-СВММ;
b) изготовление композита путем нанесения каучукового слоя на одну сторону поверхностной пленки;
c) вулканизация каучукового слоя с получением первого резинового слоя;
d) предоставление волокнистого материала;
e) изготовление основания путем пропитки волокнистого материала отверждаемой смолой;
f) отверждение отверждаемой смолы;
g) нанесение второго каучукового слоя на основание и/или на композит;
h) нанесение композита на основание, таким образом, чтобы второй каучуковый слой находился между основанием и композитом;
i) вулканизация второго каучукового слоя с получением второго резинового слоя.
Концепция изобретения относится также к лопасти ротора по п.8 формулы изобретения, а также к ветроэнергетической установке по п.9 формулы изобретения.
Ниже описываются усовершенствования предлагаемого изобретением элемента лопасти ротора.
Предпочтительно элемент лопасти ротора изготовлен способом изготовления в соответствии с концепцией изобретения.
Предпочтительно первый и второй резиновый слой были вулканизировались каждый в собственном шаге вулканизации и имеют, таким образом, различную историю вулканизации.
Предпочтительно первый резиновый слой имеет иную, в частности более высокую степень вулканизации, чем степень вулканизации второго резинового слоя, который находится на основании. При этом различные степени вулканизации служат для оптимальной адаптации резиновых слоев к конструктивным элементам, на которых они находятся. В другом усовершенствовании первый резиновый слой имеет такую же степень вулканизации, что и второй резиновый слой. В этом усовершенствовании первый и второй резиновый слой сшиты друг с другом оптимальным образом.
Оказалось особенно предпочтительно, если первый резиновый слой непосредственно скреплен с поверхностной пленкой, а второй резиновый слой непосредственно скреплен с основанием. В другом усовершенствовании скрепляющий слой между первым резиновым слоем и вторым резиновым слоем может содержать дополнительный соединительный слой. Этот соединительный слой может предпочтительно служить для улучшения скрепления первого резинового слоя со вторым резиновым слоем. Но первый резиновый слой может быть также непосредственно скреплен со вторым резиновым слоем.
Предпочтительно первый и/или второй резиновый слой содержит этилен-пропилен-диеновый каучук (ЭПДК). ЭПДК хорошо пригоден для скрепления с ПЭ-СВММ, к тому же он обладает замечательной устойчивостью к высоким температурам, озону и ультрафиолетовому облучению. Кроме того, ЭПДК является гибким и эластичным, так что в сочетании ЭПДК с ПЭ-СВММ механическая прочность ПЭ-СВММ может комбинироваться с демпфирующими свойствами ЭПДК. Даже при низких температурах ЭПДК является очень гибким. Первый и/или второй резиновый слой в другом усовершенствовании имеет дополнительные стабилизаторы против ультрафиолетового облучения.
Предпочтительно отверждаемая смола представляет собой реакционную смолу, в частности предпочтительно эпоксидную смолу. Эпоксидные смолы особенно хорошо пригодны для применения в волокнистых композитных материалах. Одним из предпочтительных волокнистых материалов являются стекловолокна и/или углеродные волокна. Наряду с волокнистым материалом, элемент лопасти ротора может также содержать другие сердцевинные материалы в качестве структурных каркасов, например, березовые или бальзовые элементы и/или корпуса из вспененного материала. Одним из преимуществ элементов лопастей ротора, содержащих такие волокнистые материалы, является их устойчивость при низкой массе. Также предпочтительной является их хорошая способность к деформации до затвердевания смолы.
Предпочтительно скрепление первого резинового слоя с поверхностной пленкой происходит за счет механической адгезии, а скрепление второго резинового слоя с основанием – за счет реакций сшивания. В предпочтительных усовершенствованиях элемент лопасти ротора представляет собой перемычку, наружную оболочки лопасти ротора и ее части, в частности половину оболочки стороны давления или стороны разрежения, переднюю кромку лопасти ротора, заднюю кромку лопасти ротора, вершину лопасти ротора или носок лопасти ротора.
Для ветроэнергетических установок особенно предпочтительно, чтобы пленки из ПЭ-СВММ были пригодны к окрашиванию, так чтобы, например, могли наноситься сигнальные маркировки, которые требуются в целях безопасности полетов. Окрашенные поверхностные пленки предпочтительно окрашены в один или несколько из следующих цветов: агатовый серый RAL 7038, транспортный красный RAL 3020, транспортный оранжевый RAL 2009, транспортный белый RAL 9016 и огненно-красный RAL 3000.
Кроме того, предпочтительно, если применяются пленки из ПЭ-СВММ, которые дополнительно стабилизированы против ультрафиолетового облучения. Эти пленки обладают улучшенной устойчивостью в условиях под открытым небом.
Способ изготовления в соответствии с концепцией изобретения разделяет преимущества описанного выше устройства.
В частности, предпочтительно, если в соответствии со способом изготовления второй каучуковый слой наносится на композит, а затем композит со вторым каучуковым слоем наносится на основание. Это обеспечивает возможность хорошего скрепления композита и основания. Но может быть также предпочтительно нанесение второго каучукового слоя только на основание или материала второго каучукового слоя как на основание, так и на композит.
Предпочтительно вулканизация первого каучукового слоя происходит при более высоких температурах и/или более высоких давлениях, чем вулканизация второго каучукового слоя. С помощью такого способа учитывается, в частности, способность эпоксидной смолы воспринимать термическую нагрузку. Так, при вулканизации второго каучукового слоя можно, например, вулканизировать его только частично при низких температурах и/или низких давлениях, что, тем не менее, приводит к хорошему скреплению с первым резиновым слоем и смолой основания, в то время как одновременно смола не подвергается чрезмерной термической нагрузке. Но в рамках изобретения возможна также вулканизация второго каучукового слоя до степени вулканизации первого резинового слоя, например, с более долгими периодами вулканизации при более низких температурах, чем при вулканизации первого каучукового слоя.
Кроме того, предпочтительно, если отверждение смолы и вулканизация второго каучукового слоя осуществляются в одном шаге. При комбинировании двух процессов в одном шаге возможно лучшее сшивание второго резинового слоя и смолы.
В частности, предпочтителен способ, при котором скрепление первого резинового слоя с поверхностной пленкой осуществляется за счет механической адгезии, и при котором скрепление второго резинового слоя с основанием осуществляется за счет реакций сшивания.
Теперь примеры осуществления изобретения описываются ниже с помощью чертежа в сравнении с уровнем техники, который тоже частично изображен. На этом чертеже примеры осуществления не обязательно изображаются с соблюдением масштаба, более того, чертеж, который служит для пояснения, выполнен в схематизированной и/или слегка искаженной форме. В отношении дополнений к непосредственно распознаваемым на чертеже теориям ссылаемся на современный уровень техники. При этом следует учитывать, что могут производиться разнообразные модификации и изменения, касающиеся данной формы и данной детали варианта осуществления, без отклонения от общей идеи изобретения. Раскрытые в описании, на чертеже, а также в пунктах формулы изобретения признаки изобретения как по отдельности, так и в любой комбинации могут быть существенными для усовершенствования изобретения. Кроме того, в рамки изобретения попадают все комбинации из по меньшей мере двух признаков, раскрытых в описании, на чертеже и/или в пунктах формулы изобретения.
Общая идея изобретения не ограничена точной формой или деталью предпочтительного варианта осуществления, показанного и описанного ниже, или не ограничена предметом, который был бы ограниченным по сравнению с предметом, заявленным в пунктах формулы изобретения. При указанных диапазонах размеров те значения, которые лежат в пределах названных границ, также должны считаться раскрытыми как предельные значения и могут применяться и являться предметом заявки произвольным образом. Другие преимущества, признаки и подробности изобретения вытекают из последующего описания предпочтительных примеров осуществления, а также из чертежа; на нем показано:
фиг.1: схематичное изображение ветроэнергетической установки, имеющей лопасти ротора в соответствии с изобретением;
фиг.2: схематично один из вариантов осуществления носка лопасти ротора в качестве элемента лопасти ротора в соответствии с изобретением;
фиг.3: на схематичном изображении фрагмент элемента лопасти ротора с фиг.2;
фиг.4: схематичное изображение одного из вариантов осуществления способа изготовления в соответствии с концепцией изобретения.
На фиг.1 показана ветроэнергетическая установка 1000, имеющая башню 1200 и гондолу 1300. На гондоле 1300 установлен ротор 1400, имеющее три лопасти 1100 ротора и кок 1500. Ротор 1400 при эксплуатации приводится ветром во вращательное движение и при этом осуществляет также привод генератора в гондоле 1300. Лопасти 1100 ротора ветроэнергетической установки 1000 имеют основание из волокнистого материала, пропитанное отверждаемой смолой, и в отдельных местах покрыты поверхностной пленкой из ПЭ-СВММ, при этом между поверхностной пленкой и основанием находится скрепляющий слой, который, со своей стороны, имеет первый и второй резиновый слой. Первый резиновый слой имеет при этом иную степень вулканизации, чем второй резиновый слой. Эта конструкция поясняется подробнее на следующих фигурах.
На фиг.2 показан элемент 1110 лопасти ротора, а именно, носок лопасти ротора. Носок 1110 лопасти ротора имеет поверхностную пленку 1120. Она состоит в этом примере осуществления из полиэтилена со сверхвысокой молекулярной массой (ПЭ-СВММ). Поверхностная пленка 1120 посредством скрепляющего слоя 1130 соединена с основанием элемента 1140 лопасти ротора. Основание 1140 элемента лопасти ротора состоит при этом из волокнистого материала, пропитанного отверждаемой смолой. В этом примере осуществления волокнистый материал представляет собой упрочненный стекловолокном полимер (СВП), а отверждаемая смола - эпоксидную смолу. Скрепляющий слой 1130 имеет первый резиновый слой, а также второй резиновый слой, которые имеют различные степени вулканизации. Благодаря скреплению поверхностной пленки 1120 с основанием 1140 посредством эластичного скрепляющего слоя, имеющего несколько резиновых слоев, возможно, во-первых, соединение ПЭ-СВММ с эпоксидной смолой. Во-вторых, скрепляющий слой обладает демпфирующими свойствами, что, в частности, предпочтительно при нагрузках поверхностной пленки и основания ротора. Поверхностная пленка 1120 из ПЭ-СВММ особенно устойчива к абразивным нагрузкам, которые возникают при эксплуатации ветроэнергетических установок, в частности, на кромках ротора. Резина, применяемая в этом примере осуществления в первом и втором резиновом слое, представляет собой вулканизированный каучук ЭПДК.
На фиг.3 показан фрагмент элемента 1110 лопасти ротора. В этом месте элемент 1110 лопасти ротора имеет следующую слоистую конструкцию: сначала основание 1140, на основании - скрепляющий слой 1130, состоящий из первого резинового слоя 1131 и второго резинового слоя 1132. При этом второй резиновый слой 1132 расположен непосредственно на основании 1140 и соединен с ним предпочтительно посредством реакций сшивания. Первый резиновый слой 1131 расположен на втором резиновом слое 1132. Первый резиновый слой 1131 в показанном примере осуществления имеет более высокую степень вулканизации, чем второй резиновый слой 1132. Непосредственно на первом резиновом слое 1131 расположена поверхностная пленка 1120 из ПЭ-СВММ. Поверхностная пленка 1120 прилипает к первому резиновому слою 1131 за счет механической адгезии. Показанная слоистая конструкция обеспечивает возможность устойчивого скрепления ПЭ-СВММ с основанием лопасти ротора или элемента лопасти ротора из волокнистого материала, пропитанного эпоксидной смолой, и одновременно объединяет демпфирующие свойства резиновых слоев скрепляющего слоя с прочностью на истирание и вместе с тем защитой пленки из ПЭ-СВММ от эрозии.
На фиг.4 схематично показан способ изготовления элемента лопасти ротора в соответствии с концепцией изобретения. В шаге S1 предоставляется поверхностная пленка, которая содержит ПЭ-СВММ. В шаге S2 изготавливается композит из поверхностной пленки и каучукового слоя, при этом каучуковый слой наносится на одну сторону поверхностной пленки. Нанесение в одном из вариантов осуществления способа может происходить путем накатки каучукового слоя на поверхностную пленку. Но возможно также намазывание каучука. В шаге S3 каучуковый слой вулканизируется с получением первого резинового слоя. В одном из предпочтительных вариантов осуществления каучук представляет собой ЭПДК. Вулканизация может осуществляться, например, посредством серной вулканизации, но, в частности, в случае ЭПДК также с помощью перекисей. Надлежащие температуры вулканизации составляют от 100°C до 180°C, в частности от 140°C до 150°C. Надлежащие давления для изготовления композита из пленки из ПЭ-СВММ и ЭПДК составляют прибл. около 8 бар.
В шаге S4 предоставляется волокнистый материал для основания элемента лопасти ротора. Предпочтительно этот волокнистый материал представляет собой упрочненный стекловолокном полимер. Затем в шаге S5 изготавливается основание путем пропитки волокнистого материала отверждаемой смолой, предпочтительно эпоксидной смолой. В шаге S6 опционально сразу после этого отверждаемая смола может отверждаться. Но отверждение смолы может также осуществляться в этом способе позднее. В шаге S7 наносится второй каучуковый слой. При этом материал второго каучукового слоя наносится либо на основание, либо на композит, или, в другом варианте осуществления, также частично на основание и частично на композит. В шаге S8 композит наносится на основание таким образом, чтобы второй каучуковый слой находился между основанием и композитом. В шаге S9 второй каучуковый слой вулканизируется с получением второго резинового слоя, и таким образом создается прочное скрепление основания с композитом и вместе с тем с поверхностной пленкой. Вулканизация второго каучукового слоя происходит предпочтительно при 50°C и 2 бар. Так же, как и первый каучуковый слой, второй каучуковый слой предпочтительно содержит ЭПДК. ЭПДК хорошо подходит к ПЭ-СВММ, а также для скрепления с эпоксидной смолой. Одновременно с вулканизацией второго каучукового слоя с получением второго резинового слоя может также осуществляться отверждение отверждаемой смолы.