(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1. (51) Int Cl. NORGE. Patentstyret

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (1) Int Cl. F03D 1/06 (06.01) B29C 70/06 (06.01) F03D 3/06 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr PCT/DK03/0018 (22) Inng.dag (8) Videreføringsdag (24) Løpedag () Prioritet , DK, 00424/02 (41) Alm.tilgj (4) Meddelt (73) Innehaver LM Glasfiber A/S, Rolles Møllevej 1, DK-6640 LUNDERSKOV, Danmark (72) Oppfinner Peter Grabau, H C Petersens Vej, DK-6000 KOLDING, Danmark Lars Fuglsang Andersen, Elvej 6, DK-260 ODENSE S, Danmark (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 170 Vika, 0118 OSLO, Norge (4) Benevnelse Vindturbinblad med karbontupp. (6) Anførte publikasjoner US A (7) Sammendrag Oppfinnelsen angår et vindturbindblad (14) av fiberforsterket polymer. Bladet (14) er delt i en indre endedel (1) med bladroten og fremstilt vesentlig av glassfiberforsterket polymer og en ytre endedel (17) med bladspissen fremstilt vesentlig av karbonfiberforsterket polymer.

2 Oppfinnelsen angår et vindturbinblad ifølge innledningen til krav 1. Vindturbinblader er typisk fremstilt av tobladskallhalvdeler av fiberforsterket polymer. Under støpingen blir de to halvdeler limt sammen langs kantene og via to avstivere som tidligere har blitt limt til indre flaten av en av bladskallhalvdelene. Den andre bladskallhalvdel blir så anordnet på toppen av avstiverne og limt dertil langs kantene. Bladskallhalvdelene som sådan fremstilles typisk ved vakuuminfusjon hvor jevnt fordelte fibere, fibermatter, som kan være fiberbunter, bånd eller matter kan være filtmatter eller enkeltfibere eller vevd matte av fiber, blir lagt i en støpedel og dekket av en vakuumpose. Ved å frembringe vakuum (typisk %) i hulrommet mellom indre flaten av støpedelen og vakuumposen, blir resin suget inn i og fyller hulrommet med fibermateriale. For å oppnå optimal fordeling av resinet, blir såkalte fordelingslag og fordelingskanaler ofte brukt mellom vakuumposen og fibermaterialet. Den brukte polymer er typisk polyester eller epoksy og fiberforsterkningen er vanligvis basert på glassfiber. Det er også kjent å bruke karbonfibere som er stivere enn glassfibere, mens som har en mindre bruddforlengelse enn glassfibrene. Karbonfibrene kan tilsettes for å oppnå en høyere grad av stivhet og/eller lavere vekt. Det er således mulig å la en del av fibersterkningen bestå av karbonfibere for minske vekten av bladet uten at bladet mister for mye av stivheten. Karbonfibere har imidlertid den ulempe at de er vesentlig dyrere enn glassfibere, hvilket er en av årsakene til hvorfor vindturbinblader av karbonfiberforsterket polymer ikke brukes i stor utstrekning. Fra WO 00/1440, er det kjent å forsterke et vindturbinblad av glassfiberpolymer med langsgående bånd av karbonfiberforsterket polymer. US beskriver fremstillingen av langstrakte komposittprodukter, hvor en variasjon av produktets stivhet langs lengden oppnås ved å endre fiberinnholdet eller vinklingen av flettede fibere. US 32 beskriver en støpedel av fiberforsterket polymer av varierende stivhet som oppnås ved å variere antall fibermattelag. US beskriver et rotorblad for et helikopter av fiberkomposittmateriale, idet stivheten av bladet varierer i den langsgående retning. Dette oppnås ved å variere fibertetningen for å oppnå forbedret vibrasjonsdempning. Egenvekten av moderne glassfiberblader utgjør et problem ved at et høyt egenvektmoment krever høy tretthetsmotstand i bladets kantretning. Dette problemet øker med bladenes lengde. Formålet med oppfinnelsen er å løse ovennevnte problem på en enkel og rimelig måte. Ifølge oppfinnelsen oppnås formålet ved at bladet deles i en indre endedel med bladroten og som er vesentlig fri for glassfiberforsterket polymer, og en ytre endedel med bladspissen og som vesentlig er fremstilt av karbonfiberforsterket polymer. Vekten blir

3 således redusert i den ytterste del, hvorved egenvektmomentet minimeres. Mindre materiale og/eller et mindre tverrsnitt er således nødvendig i den innerste del av bladet og belastningen på turbinnavet reduseres. Den ytterste del av bladet kan videre være forsynt med en økt stivhet slik at risikoen for at bladet bøyer seg såpass mye at bladspissen slår mot turbintårnet reduseres. Et slikt vindturbinblad er rimeligere å fremstille enn et blad som bare er fremstilt av karbonfiberforsterket polymer. Ved en viss grad av stivhet kan egenvekten reduseres ved å bruke karbonfibere i ytre enden, hvorved de dynamiske lastene på bladskallet og bladroten også kan reduseres siden delene delvis er følsom for dynamiske laster. Ved å endre karbonfiberinnholdet i den ytre enden, eller lengden derav, kan stivheten og de naturlige frekvenser varieres. Stivheten og de naturlige frekvenser kan således optimeres til de spesifikke forhold. En relativt stiv ytre endedel og en relativt stiv indre endedel fører til en fordelaktig avbøyningsform når det gjelder aerodynamisk dempning, idet dempningen er avhengig av den integrerte avbøyning langs bladet under en vibrasjon. En økt aerodynamisk dempning er fordelaktig ved at den aerodynamiske last således blir redusert. Sammenliknet med et blad som bare er fremstilt av glassfiberforsterket polymer eller blad fremstilt bare av karbonfiberforsterket polymer, gir et blad ifølge oppfinnelsen et optimalt stivhets/kostnadsforhold. Ifølge en utførelse utgjør den ytre endedelen mellom 2 % og 0 % av bladets hele lengde. Den ytre endedelen kan imidlertid utgjøre %, %, 1 %, %, 2 %, %, 3 %, 40 %, 4 %, 0 %, %, 60 %, 6 %, 70 %, 7 %, 80 %, 8 % eller til og med 90 % av bladets lengde. Ifølge en foretrukket utførelse kan den ytre endedelen motstående blad spissen omfatte en overgangssone hvor karbonfibrene gradvis erstattes av glassfibere. Som resultat unngås en brå endring i bladstivheten i overgangsområdet mellom karbonfibrene og glassfibrene. Ved tunge dynamiske eller statiske belastninger, vil en brå overgang mellom karbonfibrene og glassfibrene forårsake en konsentrasjon av belastning, idet karbonfibrene typisk er 3-4 ganger stivere enn glassfibrene. Dette kan føre til en risiko for at bladet ødelegges. Ved å bruke en slik overgangssone unngås en tung belastningskonsentrasjon ved grenseflaten mellom karbonfibrene og glassfibrene. Ifølge en utførelse kan lengden av overgangssonen være mellom 0, og 1 meter. Er lengdepunktet meter eller mer enn meter kan imidlertid også være foretrukket. Ifølge oppfinnelsen kan de to fibertypene fordeles slik i polymermatrisen at karbonfibere eller karbonfiberbunter av varierende lengde strekker seg fra en første ende av overgangssonen, og glassfibrene eller glassfiberbuntene strekker seg fra den motstående ende av overgangssonen, hvorved det åpnes en særlig jevn stivhetsovergang.

4 Ifølge en annen utførelse kan overgangssonen dannes av et laminat av flere fiberlag, idet hvert fiberlag har en grenseflate ved en posisjon i den langsgående retning, idet fiberlaget omfatter karbonfibere på den ene side av grenseflaten og glassfibere på den andre side av grenseflaten, idet grenseflatene av hvert fiberlag er forskjøvet i forhold til hverandre i bladets langsgående retning. Som et resultat oppnås en gradvis endring i stivhet i overgangssonen på en særlig enkel måte. Ifølge en utførelse kan grenseflatene være taggete i et snitt parallelt med fiberlagene. En enda jevnere overgang i stivhet oppnås således i overgangssonen. Spissene av de taggete grenselag kan forskyves i forhold til hverandre i bladets tverretning. Som resultat oppnås en ekstra jevn variasjon i overgangssonens stivhet. Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj under henvisning til eksempler på utførelser og vedlagte tegninger, hvor figur 1 viser en vindturbin med tre blader, figur 2 viser et blad ifølge en utførelse av oppfinnelsen, figur 3 viser en kontinuerlig variasjon av det kvantitative forhold av karbonfibere i forhold til glassfibere ifølge en særlig utførelse av oppfinnelsen, figur 4 viser en kontinuerlig variasjon av det kvantitative forhold mellom glasskarbonfibere og glassfibere ifølge en annen utførelse av oppfinnelsen, figur viser en kontinuerlig variasjon av det kvantitative forhold av karbonfibere i forhold til glassfibere ifølge en tredje, særlig utførelse av oppfinnelsen, figur 6 viser skjemaer hvordan det kvantitative forhold av karbonfibere i forhold til glassfibere kan varieres i overgangssonen. Figur 1 viser en moderne vindturbin med et tårn 12 med et nav 13 og tre vindturbinblader 13 som strekker seg fra navet. Figur 2 viser en utførelse av et vindturbinblad ifølge oppfinnelsen, hvor en indre endedel 1 med bladroten er fremstilt vesentlig av glassfiberforsterket polymer og hvor en ytre endedel 17 med bladspissen er vesentlig fremstilt av karbonfiberforsterket polymer. Mot den indre endedel 1, omfatter den ytre endedel 17 en overgangssone 16 hvor karbonfibrene gradvis erstattes av glassfibere, slik at det oppnås en gradvis endring i bladets stivhet. Figur 3 er et snitt av overgangssonen, hvor det kvantitative forhold mellom karbonfibere og glassfibere gradvis endres. Karbonfibrene 1 strekkes seg fra den venstre side av snittet i form av bunter eller enkle fibere av forskjellig lengde. Glassfibrene 2 er ikke synlige på figur 3, men de kompletterer karbonfibrene 1. Overgangen mellom de to fibertypene er således diffuse, slik at det oppnås en jevn overgang fra den ytre endedelen 17, som er vesentlig forsterket med karbonfiber 1, til den indre endedelen 1, som er vesentlig forsterket glassfibere 2. Figur 4 viser en andre utførelse hvor fibermatter av ikke-vevde fibere eller strikkede fiberbunter har blitt punchet, og forsynt med tagger i de indre endene. To matter

5 av karbonfibere og/eller glassfibere i det samme fiberlaget har tilsvarende formede tagger og blander seg således med hverandre. To stablede fiberlagtagger kan være forskjøvet i forhold til hverandre, som vist på figur 4, hvorved dette oppnås med en jevn overgang mellom stivheten i området med karbonfibere vist på venstre side og stivheten i området med glassfibere vist på høyre side. Figur 4 viser skjematisk to stablete karbonfiberlag 3, 4 og tilsvarende glassfiberlag i området. Også vist på figur 4, er spissene 12 til taggene 11 av de to karbonfiberlagene 3, 4 forskjøvet i tverretningen for å sikre en jevn stivhetsovergang. En overgangssone mellom området med karbonfibere og områdene med glassfibere avgjøres således av taggenes lengde. Følgelig kan overgangssonen variere etter behov enten ved å forkorte eller forlenge taggenes lengde. Figur viser en særlig enkel utførelse av overgangssonen mellom den ytre endedelen og den indre endedelen. Figur viser skjematisk fire stablede fiberlag med et karbonfiberlag 6 og et glassfiberlag 7. Hvert fiberlag har en grenseflate hvor karbonfibrene erstattes av glassfibere, idet en overgangssone av en viss lengde oppnås i den grenseflatene er forskjøvet i forhold til hverandre. Lengden av overgangssonen kan naturligvis varieres etter behov ved å forskyve grenseflatene mer eller mindre i forhold til hverandre og/eller ved å bruke flere fiberlag. Figur 6 er et skjematisk riss av det kvantitative forhold mellom karbonfibrene og glassfibrene i bladets langsgående retning. Den første sone I tilsvarer den ytre endedelen 17 og den andre sone III tilsvarer den indre endedelen 1 av bladet. En overgangssone II er tilveiebrakt mellom de to soner, idet forholdet mellom glassfibrene 9 i nevnte sone gradvis øker fra nivået i den første sone I til nivået i den andre sone III. Figur 6a viser således en utførelse hvor den første sone I bare er dannet av karbonfibere 8 og den andre sone III bare er dannet av glassfibere 9. Figur 6b viser en utførelse hvor den første sone I bare er fremstilt av karbonfibere 8 og den andre sone III omfatter en konstant, mindre mengde av karbonfibere 8 og en konstant større mengde glassfibere 9. Figur 6c viser en utførelse hvor den første sone I omfatter en konstant større mengde av karbonfibere 8 og en konstant mindre mengde glassfiber 9, og hvor den andre sone III bare er fremstilt av glassfibere 9. Figur 6d viser en utførelse hvor den første sone I omfatter en konstant større del av karbonfibere 8 og en konstant mindre mengde glassfibere 9, og hvor den andre sone III omfatter en mindre, konstant mengde av karbonfibere og en større konstant mengde glassfibere 9. Figur 6a viser skjematisk en foretrukket utførelse av et vindturbinblad hvor den første sone I tilsvarer den ytre endedelen av bladet med bladspissen og hvor den andre sone III tilsvarer den indre endedelen av bladet med bladroten. Forsterkningsmaterialet for den ytre endedelen er således bare fremstilt av karbonfibere, mens den indre endedelen av bladroten bare er fremstilt av glassfibere. Følgelig kan den ytre endedelen

6 1 2 3 omfatte en overgangssone II, hvor karbonfibrene og glassfibrene gradvis erstatter hverandre. Denne overgangssone II kan ha en begrenset lengde på for eksempel 0,-1 meter. Bladet kan imidlertid også være utført ifølge utførelsene vist på figur 6b-6d. En overgangssone kan være tilveiebrakt til bladet under fiberleggingen som sådan i støpedelen. Det er imidlertid også mulig å bruke prefabrikkerte overgangslaminater fremstilt ifølge prinsippene vist på figur 3, 4 og. Slike prefabrikkerte overgangslaminater er fordelaktig under fremstillingen, ved at fiberleggingstiden vesentlig er den samme som ved produksjon av konvensjonelle vindturbinblader ved at samme materiale brukes i hele bladets langsgående retning. Hvis en eksisterende vindturbin skal forsynes med lengre blader, kan dette oppnås ved å erstatte den ytterste delen av bladet av en overgangssone med en eller flere overgangslaminater og en karbonfiberspiss. Vekten av bladet er ikke eller kun litt øket sammenliknet med de opprinnelige bladene fremstilt bare av glassfiberforsterket polymer. Eventuelt kan helt nye blader fremstilles for en eksisterende vindturbin, eller den ytterste delen av bladene kan kuttes av og erstattes av en karbonfiberspiss med eller uten en overgangssone. Fordeler ifølge oppfinnelsen er især oppnådd ved å fremstille de lastbærende deler av den ytre endedelen vesentlig av karbonfiberforsterket polymer. De lastbærende deler omfatter hovedlaminater i form av langsgående fiberforsterkede polymerbånd i bladskallets suge- og trykksider som befinner seg lengst bort fra bladets tverrsnitt. Laminatene som forsterker bladet i kantretningen ved bladets fremre og bakre kant, kan også med fordel være fremstilt av karbonfiberforsterket polymer i bladets ytre endedel. Hovedlaminatene kan fortrinnsvis være tilveiebrakt som hybridmatter hvor jevnt fordelte matter eller bunter enten av glassfiber eller karbonfibere er fordelt over hele tverrsnittsarealet. For å beskytte seg mot tordenvær kan det være fordelaktig å gjøre den ytterste del av bladspissen helt av glassfiber for å sikre at lynnedslag når en spesielt bygget lynmottaker og ikke det elektrisk ledende karbonfibermateriale. Prøver har vist at de ytterste deler av karbonfibrene i overgangssonen kan brytes ved bøyning av overgangssonen, men dette er ikke en helt uønsket effekt ettersom den bidrar til ytterligere utjevning av stivhetsovergangen. Hyppigheten av brutte fibere kan således være høy, men ikke kritisk, ettersom de omgis av mer bøyelige glassfibere. Imidlertid vil de brutte fibrene fremdeles bidra til å redusere bøyningen og således brekkasjen av andre fibere. Den gradvis og jevne overgang mellom egenskapene av komposittmaterialet, som er basert på glassfibere og karbonfibere, oppnår således av to faktorer. Den faktor er fordelingen av stive og bøyelige fibere for å oppnå en jevn overgang fra det stive til det bøyelige området. Den andre faktor er ikke-kritisk brekkasje som ytterligere jevner ut overgangen. En annen utførelse som ikke er vist, av et vindturbinblad ifølge oppfinnelsen, kan oppnås ved hjelp av en såkalt

7 6 besprutningsprosess. I denne fremgangsmåte brukes sprøytepistol for polymermaterialet og en blanding av kappede fibere av de to typer blir ført inn i en resinstrøm og sprøytet inn i formen. Ved å variere blandingsforholdet under besprutningen, kan den tiltenkte overgangssone oppnås. Bruddforlengelsen for glassfibere er typisk omtrent 4,8 %, mens den typisk varierer mellom 0,3 % og 1,4 % for karbonfibere. Youngs Modulus av glassfibere er omtrent MPa, mens Youngs Modulus av karbonfibere (gjennomsnittmodul) er typisk MPa. Karbonfibere er typisk 3-4 ganger stivere enn glassfibere. Tettheten 3 3 av glass er omtrent 2,4 g/cm, mens tettheten for karbon er omtrent 1,7 g/cm.

8 7 P a t e n t k r a v Vindturbinblad (14) av fiberforsterket polymer, karakterisert ved at de deles i en innvendig del (1) med bladroten og fremstilt vesentlig av glassfiberforsterket polymer, og en ytre del (17) med bladspissen vesentlig fremstilt av karbonfiberforsterket polymer. 2. Vindturbinblad (14) ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytre endedelen (17) utgjør mellom 2 og 0 % av bladets (14) hele lengde. 3. Vindturbinblad (14) av fiberforsterket polymer ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den ytre endedelen (17) motstående bladspissen omfatter en overgangssone (16) hvor karbonfibrene gradvis erstattes av glassfibere. 4. Vindturbinblad (14) ifølge krav 3, karakterisert ved at lengden av overgangssonen (16) er mellom 0, og 1 meter.. Vindturbinblad (14) ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at to typer fibere fordeles slik i polymermatrisen at karbonfibrene eller karbonfiberbuntene (1) med varierende lengde strekker seg fra en første ende av overgangssonen (II) og glassfibrene eller glassfiberbuntene (2) strekker seg fra den motstående ende av overgangssonen (II). 6. Vindturbinblad (14) ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at overgangssonen (II) er dannet av et laminat av flere fiberlag (6, 7) hvor hvert fiberlag har en grenseflate () ved en posisjon i den langsgående retning, idet fiberlaget omfatter karbonfibere (6) på den ene side av grenseflaten og glassfibere (7) på den andre side av grenseflaten, idet grenseflatene () av hvert fiberlag er forskjøvet i forhold til hverandre i bladets (14) langsgående retning. 7. Vindturbinblad (14) ifølge krav 6, karakterisert ved at grenseflatene (11) er tagget i et snitt parallelt med fiberlagene (3, 4, ). 8. Vindturbinblad (14) ifølge krav 7, karakterisert ved at spissene (12) av de taggete grenseflater (11) er forskjøvet i forhold til hverandre i bladets (14) tverrgående retning.

9

10