NO155823B - Hul vingebjelkekjerne og fremgangsmaate til fremstilling av samme. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en hul uttakbar

kjerne i ett stykke til anvendelse ved fremstilling av store vindturbinvingebjelker i en viklemaskin uten at kjernen utgjør en del av vingebjelkene, omfattende koplingsorganer på henholdsvis kjernens rot- og spissende for å tillate roterbar montering av bjelkekjernen i viklemaskinen.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av en hul, frittbærende og uttakbar vingebjelkekjerne i ett stykke.

Ved den pågående søkning etter nye former for energikilder skiller vindturbinene seg fordelaktig ut. En vindturbin omfatter i sin alminnelighet en konstruksjon med rotorvinger, boss, nav, forstillingsmekanisme, transmisjon, tårn, generator og vanligvis en elektromekanisk omformer, som samtlige er utformet og innret-tet for å trekke ut energi fra atmosfæriske vinder og omdanne denne til elektrisk energi eller andre former for nyttig energi.

De store vindturbiner (100 kw og over) utmerker seg ved

sine ytterst lange rotorvinger (vanligvis minst 15m, men hver vinge kan også ha en lengde på 30m eller mer), som blir utsatt for harde bøynings- og vridningskrefter ved dimesjoneringsbe-lastning. Rotorvingene blir fortrinnsvis fremstilt med vingebjelken i skallkonstruksjon ved vikling av filamenter på en kjerne, såsom angitt i US-patentskrift 4.081.220, som viser nærmere detaljer. Bjelkekjernens beskaffenhet er riktignok ikke detaljbeskrevet i dette US-patentskrift, men i prinsippet består den av en sentral, bærende konstruksjon i form av en fagverks-bjelke av stål som er påmontert en rekke separate, borttakbare skallkonstruksjoner, som består av viklingsspoler, -styringer, stringere og platehylster, som samtlige blir holdt på plass på den sentrale fagverksbjelken ved hjelp av kiler, splinter e.l.

For å gjøre det lettere å fjerne kjernen, smalner denne betydelig av i retning fra vingebjelkens rotende til dens spissende, og ettersom aggregatet av viklingsspoler, -styringer, stringere og platehylster blir båret på den sentrale fagverksbjelkens kappe-flate, blir belastningsevnen svært liten ved spissen av kjernen. Tykkelsesbegrensningen for kjernens spiss krever at den primært opplagres som en utkraget bjelke hvor en svært liten del av vekten (opptil et maksimum på ca. 3%) hviler på en brille ved spissen. En kjernekonstruksjon av dette slag blir svært tung (av størrelsesanorden 20 tonn for en vingebjelke med en lengde på ca. 3 0,5 m) og utøver følgelig et betydelig vippemoment på spindel-dokka i den maskin som bærer og roterer kjernen under vinklingen, slik at det må stilles store krav til kraftige lagre og fundamen-ter .

I tillegg til vektproblemet vil det ved en kjerne, som er konstruert i flere seksjoner på den beskrevne måte, alltid oppstå bevegelser i skjøtene mellom seksjonene på grunn av nedbøyninger i konstruksjonen under kjernens rotasjon. Disse bevegelser forår-saker sterk slitasje av kjerneseksjonene og medfører dessuten

ødeleggende foreteelser i det sammensatte materialet når dette påføres og herdes.

GB-patentskrift 1.262.704 vedrører fremstilling av en rotorvinge for et helikopter hvor det anvendes en hul ytterkjerne som opprinnelig ble viklet rundt et massivt indre kjernelegeme. Ytterkjernen monteres deretter som en armeringsbjelke sammen med en todelt ytterkappe for å danne vingen.

Formålet med oppfinnelsen har vært å eliminere ulempene og manglene ved tidligere teknikker samt skape en hul, uttakbar filamentarmert, sammensatt kjerne, som er utført i ett stykke og har stor fasthet i forhold til vekten, hvilken komposittkjerne er egnet for bruk ved fremstilling av vingebjelker for vindturbin-vinger, idet kjernen består av en stiv, frittbærende konstruksjon (utkraget bjelke), som det er svært lett å fremstille.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at bjelkekjernen omfatter

a) en rørformet innerkappe av filamentarmert harpiksmasse, som avtar i diameter fra rotenden til spissenden, og som består

av et par hule, støpte halvsylindre av filamentarmert harpiksmasse som smalner konisk av mot spissenden samt er sammenføyet med hverandre, og

b) en ytterkappe av filamentarmert harpiks som er viklet rundt innerkappens utvendige flate og er festet til denne, slik

at inner- og ytterkappen sammen danner bjelkekjernens vegg, som har varierende tykkelse. Vingebjelkekjernen kan ved spissen bære opptil 10% av sin egen vekt pluss vekten av den rotorvinge som blir fremstilt på kjernen, som har tilstrekkelig stor stivhet til å motsa en større nedbøyning enn 1% under fremstillingen av ro-torvingen. I en utførelsesform er kjernen forsynt med et antall perforeringer for at man ved hjelp av trykkluft skal kunne lette fjernelsen av vingebjelken som har blitt fremstilt på kjernen.

Fremgangsmåten kjennetegnes ved

at det fra et materiale av filamentarmert harpiksmasse dannes hule, speilsymmetriske halvsylindre som avtar i diameter langs lengdeutstrekningen,

at halvsylindrene sammenføyes med hverandre for å danne en hul, avsmalnende, sylindrisk innerkappe,

at det på innerkappens utvendige flate påføres filamentarmert harpiksmasse til dannelse av en avsmalnende sylindrisk ytterkappe i ett stykke med innerkappen, slik at inner- og ytterkappen sammen danner den hule bjelkekjernes vegg som har varierende tykkelse, og

at koplingsorganer festes på motstående ender av henholdsvis inner- og ytterkappen for å tillate roterbar motering av kjernen i viklemaskinen.

Oppfinnelsen beskrives nærmere i det etterfølgende under henvisning til tegningene, hvori: Fig. 1 viser et perspektivriss av et par formhalvdeler for en vingebjelkekjerne. Fig. 2 viser et tilsvarende perspektivriss av de indre kap-pehalvdeler for en vingebjelkekjerne. Fig. 3 likeens viser et perspektivriss av de indre kappe-halvdelene i sammensatt stand. Fig. 4 viser perspektivisk den operasjon hvorunder et yttersjikt vikles ovenpå innerkappen. Fig. 5 viser den ferdige kjernekonstruksjonen i perspektiv. Fig. 6 viser et lengdesnitt gjennom rotenden av kjernekonstruksjonen, som tenkes montert i viklemaskinen.

På tegningene viser fig. 1 et par former 10, 12, som er ut-ført som to langsgående formhalvdeler, som smalner kontinuerlig av i lengderetningen og er utformet med formrom som har halv-sirkulært tverrsnitt. Formrommets indre flater representerer selvsagt de ønskete ytterdimensjoner og profilform for de hule støpte halvsylindre som skal fremstilles i formen. Et par hule støpte halvsylindre 14, 16, som vises i fig. 2, er fremstilt ved å legge opp plater av filamentarmet grunnmasse i formhalvdelene 10, 12, Det filamentarmerte grunnmassematerialet kan velges blant flere forskjellige slag filamentmateriale-grunnmassekombinasjo-ner, men består fortrinnsvis av glassfibervev eller -kutt, eksempelvis S-glass, E-glass eller liknende med høy elastisitetsmodul og høy fasthetsegenskaper, i en epoksyharpiks, slik at det oppnås armering så vel i vingebjelkekjernens lengde- som tverr-retning. Andre filamentmaterialer, såsom "Kevlar", bor eller grafitt egner seg også for formålet. For å gi halvsylindrene 14, 16 tilstrekkelig styrke og stabilitet, er et antall lette armeringsribber 18, som består f.eks. av styrenskumstoff, innsatt i halvsylindrene slik som vist, hvoretter disse føres sammen og sammen-føyes, slik at de danner en innerkappe 20, fig. 3. Koplingsorganer 22, 24 blir anbrakt på henholdsvis rot- og spissenden av kappen 20, slik at denne kan koples til den viklemaskinen som deretter skal benyttes.

Kappen 20 blir montert for rotasjon omkring sin lengdeakse, såsom vist i fig. 4> i en maskin, som er montert på gulvet, og som omfatter f.eks. en spindeldokke 26 og en bakdokke 28. Nær kappen 20 blir det deretter anbrakt en filamentapplikator 30, som kan beveges parallelt med kappens 20 lengdeakse. Selv om det ikke er vist, inneholder applikatoren fortrinnsvis flere filamentkil-der, en strammer og en harpiksapplikator samt et antall vikle-hoder. Mens kappen 20 holdes i rotasjon, beveger applikatoren seg fra vingebjelkens rotende i retning mot spissen, slik at det dannes filament og harpikslag av innbyrdes overlappende spiralvikl-inger. Et filamentmateriale som blir foretrukket for denne operasjon er det samme som blir benyttet for innerkappen 20, dvs. glassfiberfilament med høy elastisitetsmodul, f.eks. S- eller E-glass, eller filament fremstilt av bor, grafitt, "Kevlar" eller liknende materiale. Hvert filament er overtrukket med harpiks, slik at det danner seg et fast yttersjikt av materiale omkring kjernens innerkappe 20. Viklefilamentene blir fortrinnsvis overtrukket med harpiks i applikatoren 3 0 og påført vanligvis i form av glassfiberbunter med flere filamenter, som holdes sammen av harpiksbelegget. Ved viklingen av kjernen blir de suksessive lag av filamenter orientert slik at de danner forutbestemte vinkler med kjernens akse og relativt hverandre, slik at det blir oppnådd maksimal bøynings- og vridningsfasthet. Eksempelvis utgjør suksessive lag, som er orientert slik at de danner 30° med kjernens akse, i mange tilfeller det beste arrangementet. Filamentene vikles på innerkappen i skruelinjeform inntil denne er helt dekket med det ønskete antall filamentsjikt av den styrke som kreves. Kjernen har i prinsippet uensartet eller varierende veggtykkelse, som avtar fra rot- til spissenden. Som det lett innses, kan dette oppnås ved å øke antall filamentsjikt nær rotenden eller ved å legge inn lag av vevnad eller annet fyllmateriale eller ved å be-nytte avsmalnende glassfiberbunter.

Etter at kappen 20 er ferdigviklet kan det, slik fig. 5 og 6 viser, på rotenden anbringes et ende-koplingsorgan 32, som består av et stålnav med en kort navaksel 34 samt en indre ring 3 6 og en ytre ring 38 som kan festes på rotenden. Et identisk eller tilnærmet likt utformet ende-koplingsorgan 40 kan anbringes på kappens spissende. Organene 32, 40 har til oppgave å virke som faste mellomkoplinger til viklemaskinen.

Som det også fremgår av fig. 5 kan kjernen være utstyrt med et antall perforeringer 42 for senere å tillate at det slippes inn trykkluft i den hule kjernen, i den hensikt å skille kjernen fra den vingebjelke som senere skal vikles utenpå kjernen.

Det vil innses at den ifølge oppfinnelsen foreslåtte vingebjelkekjerne av komposittmateriale har følgende fordeler: a) Bedre utnyttelse av tilgjengelig volum for den ønskete konstruksjonen. b) Ingen skjøter, fuger eller harde spisser på kjernen, som skulle kunne bli utsatt for slitasje eller forårsake ugreie i

laminatene.

c) Redusert vekt og økt fasthet i forbindelse med anbring-else av konstruksjonsmaterialet på kjernens ytterflate, hvilket medfører minimal nedbøyning av kjernen under viklingen av vingebjelke og kappe. d) Reduserte omkostninger og størrelse for viklemaskinen på grunn av at viklemaskinen blir utsatt for minimalt vippemoment.

e) Lave anskaffelsesomkostninger for bjelkekjernen.

f) Enkel masseproduksjon.

g) Redusert håndteringstid fordi det ikke kreves demonter-ing og remontering av kjernen, og

h) Lengre levetid for kjernen.

I den foregående er oppfinnelsen beskrevet i tilknytning

til et ikke-begrensende utførelseseksempel og kan varieres innen-for de rammer etterfølgende patentkrav trekker opp. Eksempelvis kan oppfinnelsen tenkes utnyttet for fremstilling av en hvilken som helst lang, avsmalnende gjenstand av et slag som likner en vindturbinvinge eller dennes vingebjelke, f.eks. en mast for far-tøyer, en lyktestolpe e.l., som krever lav av bøyningsgrad og liten støtte ved spissen under fremstillingen.

Claims (6)

1. Hul uttakbar kjerne i ett stykke til anvendelse ved fremstilling av store vindturbinbjelker i en viklemaskin uten at kjernen utgjør en del av vingebjelken, omfattende koplingsorganer (32,40) på henholdsvis kjernens rot- og spissende for å tillate roterbar montering av bjelkekjernen i viklemaskinen, karakterisert ved at bjelkekjernen omfatter a) en rørformet innerkappe (20) av filamentarmert harpiksmasse, som avtar i diameter fra rotende til spissenden, og som består av et par hule, støpte halvsylindre (14,16) av filamentarmert harpiksmasse som smalner konisk av mot spissenden samt er sammenføyet med hverandre, og b) en ytterkappe av filamentarmert harpisk som er viklet rundt innerkappens (20) utvendige flate og er festet til denne, slik at inner- og ytterkappen sammen danner bjelkekjernens vegg, som har varierende tykkelse.

2. Vingebjelkekjerne i samsvar med krav 1, karakterisert ved at bjelkekjernens vegg avtar i tykkelse fra rot- til spissenden.

3. Vingebjelkekjerne i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at det roterbare koplingsorgan (32) omfatter et par konsentriske ringer (36,38) som kan fast-klemmes til kjerneveggens rotendeparti.

4. Vingebjelkekjerne i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at veggen er forsynt med et antall perforeringer (42).

5. Vingebjelkekjerne i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at armeringsribber (18) er festet til halvsylindrenes (14,16) innvendige flater.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av en hul, frittbærende og uttakbar vingebjelkekjerne i ett stykke ifølge et av de foregående krav, og beregnet til å benyttes ved fremstilling av store vindturbinvingebjelker i en viklemaskin uten at kjernen utgjør del av vingebjelken, karakterisert ved at det fra et materiale av filamentarmert harpiksmasse dannes hule, speilsymmetriske halvsylindre (14,16) som avtar i diamter langs lengdeutstrekningen, at halvsylindrene (14,16) sammenføyes med hverandre for å danne en hul, avsmalnende, sylindrisk innerkappe (20), at det på innerkappens (20) utvendige flate påføres filamentarmert hapiksmasse til dannelse av en avsmalnende sylindrisk ytterkappe i ett stykke med innerkappen (20), slik at inner- og ytterkappen sammen danner den hule bjelkekjernens vegg som har varierende tykkelse, og at koplingsorganer (32,40) festes på motstående ender av henholdsvis inner- og ytterkappen for å tillate roterbar montering av kjernen i viklemaskinen.