Способ изготовления композитного конструктивного элемента, композитный конструктивный элемент и ветроэнергетическая установка
Изобретение относится к способу изготовления и композитному конструктивному элементу, в частности для ветроэнергетической установки. Способ изготовления композитного конструктивного элемента, в частности для ветроэнергетической установки, включающего в себя множество, по меньшей мере, двухкомпонентных композитных фасонных частей, причем первый компонент образуют из задающего форму материала сердечника, а второй компонент образуют в виде части соединительного слоя, причем задающий форму материал сердечника образуют, сообразно форме призмы, в виде призматического тела с многоугольным основанием, причем многоугольник основания имеет базис и угол к базису, который составляет от 30° до 60°, и соединяют множество призматических тел, причем на стыкующихся друг с другом сторонах выполняют функциональную ориентацию соединительных слоев таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30°-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм. При этом второй компонент образован в виде плетеного мата, причем плетеный мат укладывают между первым и вторым призматическими телами и соединяют с задающим форму сердечником призматических тел, причем задающий форму материал сердечника получают посредством экструзии, причем композитный конструктивный элемент соединяют горячим соединением. Изобретение направлено на повышение изгибной и сдвиговой жесткости. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к способу согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения для изготовления композитного конструктивного элемента для ветроэнергетической установки, включающего в себя множество, по меньшей мере, двухкомпонентных композитных фасонных частей, причем первый компонент образуется из задающего форму материала сердечника, а второй компонент образуется в виде части соединительного слоя. Изобретение относится также к соответствующему композитному конструктивному элементу согласно ограничительной части пункта 9 формулы изобретения. В частности, изобретение относится к многослойному конструктивному элементу, элементу лопасти ротора и ветроэнергетической установке с таким композитным конструктивным элементом.
Композитными фасонными частями являются фасонные части из двух или большего количества соединенных друг с другом материалов, которые изготовлены в виде тела с фиксированными геометрическими размерами. Встречающиеся в соединении материалы в большинстве случае имеют функциональные свойства, в частности, привязанные к определенному применению относительно их области использования. Для свойств полученного материала имеют значение вещественные и при определенных обстоятельствах также геометрические свойства отдельных компонентов. Это позволяет объединять друг с другом свойства различных компонентов, вследствие чего композиционные материалы находят широкие возможности использования. Необходимые для конечного продукта свойства по мере необходимости могут устанавливаться посредством выбора различных исходных материалов для компонентов.
В большинстве случаев композитный конструктивный элемент имеет свойства, которые под воздействием нагрузки представляют собой оптимизированную характеристику композитной фасонной части. Свойства могут быть приданы, например, в отношении определенной прочности, жесткости или растяжимости. Композитная фасонная часть под воздействием нагрузки должна исполнять оптимизированную работу соединения по сравнению с отдельным компонентом соединения. В основном развитие композитных фасонных частей сводится к тому, что оптимизируются необходимые свойства в комбинации с долговечностью, для того чтобы выдерживать продолжительную нагрузку. В частности, на лопасти ротора и другие элементы ветроэнергетической установки оказываются высокие и сильно изменяющиеся воздействия нагрузки, которые наряду с этим также возрастают при увеличивающемся в размере элементе ветроэнергетической установки. В частности, лопасти ротора должны выдерживать как статические, так и возникающие динамические нагрузки.
Композитные конструктивные элементы могут изготовляться различными способами. Так, в настоящее время лопасти ротора ветроэнергетических установок изготовлены в основном из волокнистых композиционных материалов, в которых усиливающие волокна, чаще всего в виде мата, уложены в матрице, в большинстве случае армированного стекловолокном пластика. Чаще всего лопасть ротора изготавливается в виде оболочковой многослойной конструкции. В возрастающей степени используется, например, армированный углеродным волокном пластик. Необходимыми в этом случае свойствами являются, с одной стороны, незначительный вес при относительно высокой структурной прочности, а с другой стороны, различные степени твердости и ориентированный на воздействие нагрузки предел прочности. В любом случае армированные стекловолокном или углеродным волокном материалы могли бы в принципе и при вышеизложенных точках зрения заменять прежнее использование древесины бальза с точки зрения своей оптимизированной прочности.
Типичным применением композитных конструктивных элементов является их интеграция в многослойную конструкцию; при этом укладываются несколько слоев с различными свойствами, для того чтобы получать конструктивный элемент с соответствующими установленными свойствами. С конструктивной точки зрения, с одной стороны, имеют значения материалы, а с другой стороны, ориентация или выравнивание отдельных компонентов. Материал сердечника может состоять из таких материалов, как, например, бумага, картон, пластики, металлы, древесина бальза, волнистый листовой металл, пластмассы, пенопласт и дальнейшие задающие форму компоненты, в большинстве случае соединенные с конструктивными полостями. Задача материала сердечника передавать как растягивающие усилия, так и сдвигающие усилия и поддерживать покрывные слои.
Армированные волокном компоненты или композитные конструктивные элементы имеют волокна с распределением в материале слоистого пластика, причем волокна ориентированы, по меньшей мере, в одном определенном направлении, для того чтобы достигать лучшего свойства волокнистого композиционного материала. В принципе в любом случае можно выделять три действующие фазы в материале: передающие высокое растягивающее усилие волокна, поначалу в любом случае относительно пластичная, укладывающая матрица и соединяющий оба компонента пограничный слой. Как правило, волокна могут состоять из стекла, углерода, керамики, но также из арамида, нейлоновых волокон, бетонных волокон, натуральных волокон или стальных волокон. Сама укладывающая матрица, в большинстве случае полимер, имеет обусловленную качествами материала изгибную жесткость, удерживает волокна в их положении, передает напряжения между ними и защищает волокна от внешних механических и химических воздействий. Пограничный слой служит для передачи напряжений между обоими компонентами. Проблемой у армированных волокном композитных конструктивных элементов являются возможные трещинообразования соответствующих волокон в нагруженных областях конструктивного элемента; эти трещинообразования могут возникать, прежде всего, из-за изгибающих моментов вследствие повышенной динамической механической нагрузки.
Тем не менее, армированные волокном компоненты или композитные конструктивные элементы в каждом случае с определенным количеством волокон в материале слоистого пластика или матрицы существенно улучшают механические характеристики соответствующих компонентов. Для обусловленных качествами материала параметров, таких как сдвиговая жесткость и изгибная жесткость, а также для концентрации волокон в определенном направлении механические опорные свойства соответствующих компонентов могут целенаправленно устанавливаться по отдельности, в частности, относительно предела прочности соответствующего соединения. Фактором для расчета волокнистых композиционных материалов является объемное соотношение между волокнами и матрицей. Чем выше содержание волокон, тем более прочным, но и более хрупким становится композиционный материал. В случае если соединение нагружается давлением, то наряду с пределом прочности может также иметь значение сдвиговая и изгибная жесткость. В частности, наряду с этим в принципе известно, что благодаря так называемой многослойной конструкции соединения с сердечником и одним или двумя покрывными слоями - следуя принципу тавровой балки - может достигаться высокая механическая жесткость соединения при помощи умеренно жесткого на сдвиг сердечника и, по меньшей мере, одного сравнительно жесткого на изгиб покрывного слоя, причем соединение, тем не менее, может реализовываться в виде облегченной конструкции.
Известно, что вспененные термопластичные пластики используются в качестве слоя сердечника в многослойных соединениях или композитных конструктивных элементах. Изготовление пластин из вспененного пластика может осуществляться, например, при помощи процесса экструзии. Для требовательных применений необходимы многослойные соединения, в которых термопластичные пластики снабжаются волокнами, которые обладают высокой степенью прочности и жесткости, в частности сдвиговой и изгибной жесткости для сжимающих и сдвигающих нагрузок. Повышение характеристик материала может осуществляться линейно посредством накопления слоистых соединений. Тем не менее, слишком высокая масса композитных конструктивных элементов может являться причиной высокого удельного веса отдельного конструктивного элемента. Поэтому наряду с выбором материала желательно также предусматривать конструктивные меры, при помощи которых может соответствующим образом адаптироваться и/или улучшаться потребность в свойствах композитного конструктивного элемента.
EP 2307193 раскрывает плоскостной структурный элемент, причем пенопластовое тело состоит из расположенных на плоскости друг около друга и объединенных друг с другом в пенопластовое тело сегментов тела, которые на своих прилегающих поверхностях имеют плоскостные сварные швы, при этом сварные швы имеют разрывы за счет находящихся на расстоянии друг от друга выемок. При этом плоскостной структурный элемент имеет, в частности, форму пластины и предпочтительно используется в качестве сердечника или слоя сердечника в многослойных соединениях, например в лопастях ротора ветроэнергетических установок.
В EP 1308265 раскрывается конструктивный элемент с вытянутой конструкцией, который отличается тем, что уложенные слоями, параллельные друг другу пластины состоят из волокнистого композиционного соединения. Желательным является улучшенный композитный конструктивный элемент, который подходит для использования в ветроэнергетических установках.
Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам проводило поиск следующего уровня техники в приоритетной заявке: DE 1504768 A, DE 60303348 T2, EP 2307193 B1, EP 1308265 A1.
Задача изобретения состоит в предоставлении композитного конструктивного элемента, ветроэнергетической установки и способа, которые улучшены относительно уровня техники, однако, по меньшей мере, задача состоит в преодолении одной из описанных выше проблем. По меньшей мере, должно предлагаться альтернативное решение известному в уровне техники решению. В частности, композитный конструктивный элемент и способ изготовления композитного конструктивного элемента должны быть разработаны таким образом, что предоставляется упрощенная и, тем не менее, усовершенствованная возможность оптимизировать конструктивный элемент в отношении жесткости и/или прочности. В частности композитный конструктивный элемент и способ изготовления композитного конструктивного элемента должны иметь возможность реализовываться улучшенным образом. В частности, композитный конструктивный элемент и способ должны создавать условия для длительной и направленной против воздействий нагрузок жесткости и/или прочности, предпочтительно с повышением как изгибной, так и сдвиговой жесткости.
Задача относительно способа решается изобретением с помощью способа пункта 1 формулы изобретения. Изобретение исходит из способа изготовления композитного конструктивного элемента для ветроэнергетической установки, включающего в себя множество, по меньшей мере, двухкомпонентных композитных фасонных частей, причем первый компонент образуется из задающего форму материала сердечника, а второй компонент образуется в виде части соединительного слоя.
Изобретение исходит из того соображения, что композитный конструктивный элемент из двух компонентов может оптимизироваться с точки зрения необходимых свойств материала посредством комбинации. При этом находятся решения, которые затрагивают оба компонента; так, могут быть предусмотрены композитные конструктивные элементы, например, с направленными волокнами внутри укладывающей матрицы, для того чтобы противодействовать более высоким нагрузкам. Изобретение исходит из того соображения, что композитный конструктивный элемент должен изготовляться таким образом, что возможно соединение с точки зрения многослойной конструкции или похожих конструкций, в частности это должно быть возможным посредством склеивания или сцепления (полимеров), в частности горячего сцепления или приклеивания. Изобретение обнаружило то, что композитный конструктивный элемент получает улучшенные, характерные для соединения свойства материала, если наряду с выбором материалов конструктивная форма композитного конструктивного элемента рассчитана таким образом, что в соединении могут улучшенным образом восприниматься усилия.
Согласно изобретению предусмотрено то, что задающий форму материал сердечника образуется, следуя форме призмы, в виде призматического тела с многоугольным основанием, причем многоугольник основания имеет базис и угол к базису, который составляет от 30° до 60°, и множество призматических тел соединяются, причем на стыкующихся друг с другом сторонах функциональная ориентация соединительных слоев выполняется таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30°-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм.
Предпочтительно согласно концепту изобретения продольное и поперечное выравнивание волокон или нитей или подобных жгутов переносится на геометрическую форму сердечника; в частности, продольному и поперечному выравниванию дополнительно оказывается содействие путем использования волокнистых композитных конструктивных элементов. При воздействии нагрузки, такой как растягивающее или сжимающее усилие, но также и при сдвигающей нагрузке композитный конструктивный элемент соответственно имеет макромеханическую прочность, которая складывается из ориентированной жесткости соединительных слоев и комбинации материалов.
В то время как задающий форму материал сердечника задает функциональную ориентацию соединительных слоев, которая согласно параллелограмму сил может гасить растягивающие усилия в различных направлениях, вдоль полок может присоединяться конструктивный элемент, который может воспринимать напряжения сдвига и кручения и противодействовать соответствующим воздействиям нагрузок, таких как растягивающие или сжимающие усилия, и соответствующему напряжению на изгиб. Присоединение к соответствующим, заданным сторонами углам функциональной ориентации оказывается в данном случае предпочтительной мерой, на которую при необходимости может оказываться дополнительное влияние посредством выбора угла.
Согласно концепту изобретения может оказываться противодействие трехмерному тензору напряжений. Многоугольное основание устанавливает различные возможности ориентации и формирует основной каркас для плетения соединительных слоев, которые противодействуют воздействиям нагрузок. Упомянутые в уровне техники конструктивные признаки выровнены на нормали сил (что соответствует одноосному тензору напряжений) таким образом, что усилие действует перпендикулярно к поверхности. Сверх этого могут, тем не менее, создаваться условия для трехмерного воздействия нагрузки с предпочтительным согласно концепту изобретения распределением сил в зависимости от расположения и соединительных масс. Концепт делает возможным выравнивание материала сердечника, который противодействует прочности, благодаря тому, что соединительные слои проходят под наклоном к основному распространению конструктивного элемента и таким образом исполняют функцию дополнительных усиливающих конструктивных мер по соответствующему увеличению прочности композитного конструктивного элемента.
Благодаря выбору размеров основания свойства материала могут варьироваться таким образом, что посредством размеров основания и таким образом посредством объемной доли задающего форму сердечника можно устанавливать характеристики материала относительно сдвиговой прочности и жесткости. Благодаря соединению полок в определенном геометрическом расположении, соответствующему характеру угла и соответствующей объемной доле, могут устанавливаться прочность на сжатие и жесткость, для того чтобы таким образом в итоге создавать конструктивный и обусловленный качествами материала композитный элемент. В частности, структурное расположение задающих форму материалов сердечника относительно их полок приводит к оптимизированному и улучшенному конструктивному исполнению композитного конструктивного элемента, который таким образом может иметь повышенную прочность.
Задача относительно композитного конструктивного элемента решается изобретением с помощью композитного конструктивного элемента пункта 9 формулы изобретения.
Изобретение исходит из композитного конструктивного элемента для ветроэнергетической установки, включающего в себя множество, по меньшей мере, двухкомпонентных композитных фасонных частей, причем первый компонент образован из задающего форму материала сердечника, а второй компонент образован в виде части соединительного слоя. Согласно изобретению предусмотрено то, что задающий форму материал сердечника образован, следуя форме призмы, в виде призматического тела с многоугольным основанием, причем многоугольник основания имеет базис и угол к базису, который составляет от 30° до 60°, и что множество призматических тел соединены, причем на стыкующихся друг с другом сторонах функциональная ориентация соединительных слоев выполнена таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм.
Концепт изобретения приводит также к композитному конструктивному элементу в виде многослойного конструктивного элемента. Предпочтительным усовершенствованием является многослойная фасонная часть, которая включает в себя, по меньшей мере, один из композитных конструктивных элементов в качестве материала сердечника, по меньшей мере, с одним покрывным слоем. Это усовершенствование включает в себя конструкцию многослойной фасонной части, у которой композитный конструктивный элемент состоит из воспринимающего усилия покрывного слоя, который благодаря материалу сердечника удерживается на расстоянии. Таким образом, данное усовершенствование позволяет интегрировать упомянутые ранее комбинации свойств с конечными максимальными значениями при незначительном весе в многослойный конструктивный элемент, который в сумме благодаря линейному приросту номинальных значений при более высоких воздействиях нагрузок оказывает противодействие в течение длительного периода.
Кроме того, концепт изобретения приводит также к композитному конструктивному элементу в виде элемента лопасти ротора. Усовершенствование включает в себя элемент лопасти ротора с использованием, по меньшей мере, одного композитного конструктивного элемента в качестве материала сердечника. В частности, оптимизированный композитный конструктивный элемент интегрируется в конструкцию лопасти ротора и, в частности, помимо этого, в типичную для лопасти ротора конструкцию полуоболочки, для того чтобы достигать оптимизированной усталостной прочности и прочности на сжатие. Предпочтительным образом лопасть ротора оптимизирована с точки зрения ожидаемых центробежных или гравитационных сил во время эксплуатации. При этом благодаря использованию этого композитного конструктивного элемента достигнута минимизация трещинообразования или минимизированное распространение трещин из-за задающего форму сердечника в качестве термопластичного пластика.
Изобретение приводит к ветроэнергетической установке пункта 17 формулы изобретения, в частности с лопастью ротора, которая имеет, по меньшей мере, один композитный конструктивный элемент. Так как ввиду все больших будущих размеров лопастей ротора и ввиду структурно-динамической работы лопастей ротора следует ожидать все большие нагрузки, они могу улучшенным образом восприниматься композитным конструктивным элементом, согласно установленным, обусловленным качествами материала характеристикам и конструктивно соединенному, композитному конструктивному элементу. Использованные до сих пор материалы с точки зрения своих характерных для конкретного материала свойств ограничены ввиду заданной массы и потому могут заменяться такими материалами, которые обладают дополнительными конструктивными мерами для повышения прочности.
Дальнейшие предпочтительные усовершенствования изобретения могут быть позаимствованы из зависимых пунктов формулы изобретения и по отдельности указывают предпочтительные возможности по реализации расширенного концепта в рамках постановки задачи, а также в отношении дальнейших преимуществ.
В частности, предпочтительным оказалось то, что соединение нескольких призм на стыкующихся друг с другом сторонах образует функциональную ориентацию соединительного слоя под углом практически в 45° к поперечной оси призмы и/или призм. В частности, это имеет место для функциональной ориентации соединительного слоя под углом в 45°, причем угол к базису многоугольника находится при 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°. Предпочтительно предусмотрено то, что на стыкующихся друг с другом сторонах образуется функциональная ориентация соединительных слоев, которая проходит под углом в 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°, к базисной поверхности призмы и/или призм.
В рамках наиболее предпочтительного усовершенствования задающий форму материал сердечника образован, следуя форме цилиндрического тела, с многоугольным основанием.
Тем не менее, в варианте усовершенствования задающий форму материал сердечника может также соединяться в призматическое тело в форме трехмерного многогранника, причем угол поверхностей многогранника составляет от 30° до 60°, предпочтительно поверхность многогранника имеет угол в 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°, к базисной поверхности и/или к поперечной оси. В частности, у композитного конструктивного элемента задающий форму материал сердечника соединен в трехмерный многогранник, причем угол поверхностей многогранника составляет от 30о до 60о к базису, предпочтительно угол в 45°. В этом усовершенствовании конструктивная мера по восприятию приложенных усилий реализуется посредством соответствующей многогранной структуры. Прилегающие в данном случае стороны могут соединяться друг с другом конструктивно легко и укладываться друг на друга в соответствии с геометрией. При этом это усовершенствование является возможностью конструировать в этом отношении систему слоев, благодаря тому, что на базисных поверхностях создаются дальнейшие слои и воздействие усилий отводится в соответствии с ориентацией полок.
В частности, композитный конструктивный элемент предусматривает в качестве второго компонента функциональную ориентацию волокон в виде оболочки задающего форму материала сердечника с углом от 30° до 60°, предпочтительно с углом в 45°. Усовершенствование предоставляет дополнительное предпочтительное упрочнение композитного конструктивного элемента с точки зрения напряжений сдвига и кручения. Конструктивное решение задающего трехмерную форму материала сердечника, а также оболочка с определенной ориентацией волокон позволяют достигать сравнительно высокой прочности на сжатие и могут противодействовать высокому воздействию нагрузки. Приложенному трехмерному тензору напряжений, с одной стороны, противодействует трехмерная ориентация увеличивающегося в своей прочности соединительного слоя, а с другой стороны, интегрированная в соединительные слои функциональная ориентация волокон. Наиболее предпочтительно повышается предельная нагрузка конструктивного элемента в отношении срока службы при статических и динамических воздействиях нагрузок на конструктивный элемент, который был изготовлен подобным образом.
Для предпочтительного усовершенствования предусмотрен композитный конструктивный элемент, причем задающий форму материал сердечника и соединительный слой образуют рисунок поперечного сечения из соединенных в плоскости шестиугольников, и стыкующиеся друг с другом стороны образуют функциональную ориентацию соединительных слоев под углом от 30° до 60° к поперечной оси, причем поперечная ось ориентирована параллельно к базису шестиугольного основания. При усовершенствовании известного по существу принципа ячеистых материалов при помощи конструкции из шестиугольников может достигаться наиболее высокая прочность с точки зрения динамических или статических нагрузок. Эта предпочтительная структура в сочетании с использованными материалами может использоваться, в частности, для больших - прежде всего динамических - воздействий нагрузок. Кроме того, описанная здесь форма задающего конструктивную форму материала сердечника делает возможной простую реализацию соединения под упомянутым углом и предоставляет сравнительно большую сеть соединительных слоев, которая допускает распределение усилий.
В частности, у композитного конструктивного элемента задающий форму материал сердечника имеет, по меньшей мере, один компонент из группы: акрилнитрил-бутадиен-стирол, полиамиды, полилактат, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиэтилентерефталат, полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэфирэфиркетон и поливинилхлорид.
В рамках предпочтительного усовершенствования для задающего форму материала сердечника может использоваться компонент, который с точки зрения воздействия нагрузки имеет особые характеристики материала. При этом сумма нескольких задающих форму материалов сердечника позволяет достигать необходимую максимальную особую для соединения характеристику. Комбинация из различных материалов создает условия для локальной регулировки параметров материала с точки зрения действующих усилий в дополнение к локальному геометрическому распределению усилий. Тем самым при различных или нескольких термопластичных пластиках может устанавливаться особая для конструктивного элемента и особая для конструкции характеристика материала, которая помимо этого благодаря конструктивной мере следующих друг за другом полок и соответствующего соединительного слоя представляет собой оптимизированное решение для большого воздействия нагрузки. Предпочтительно у композитного конструктивного элемента второй компонент связывает соединение из нескольких призм в термопластичный деформируемый конструктивный элемент с относительно повышенной жесткостью по сравнению с задающим форму сердечником.
Эти и другие усовершенствования извлекают преимущество из того, что соединительный слой между отдельными задающими форму материалами сердечника имеет повышенную прочность на сдвиг, для того чтобы благодаря соответствующему распределению усилий делать возможным сопротивление тела против упругой деформации. Необходимая в этом случае повышенная прочность на сдвиг приводит к повышенной прочности внутри конструктивного элемента и способствует тому, что усилия распределяются в соответствии с геометрическим и характерным для конкретного материала параметром. Прочность на сдвиг в этом случае может быть выше, чем прочность на сдвиг задающего форму материала сердечника, так как ориентированные соединительные слои оказывают содействие дальнейшей передаче соответствующих поверхностей сдвига и кручения. Усилие или компонент материала соединительного слоя может в отношении воздействия нагрузки показывать повышенную соответствующим образом сдвиговую жесткость, сочетающуюся с определенной изгибной и крутильной жесткостью.
В частности, может быть предусмотрен композитный конструктивный элемент, у которого задающий форму материал сердечника усилен дополнительными, расположенными внутри, функционально ориентированными волокнами. Распределение усилий может предпочтительно осуществляться на соединительных слоях и тем самым воспринимать касательные усилия, так что оказывается противодействие заданным местам трещин и разрывов.
Функционально ориентированные волокна, которые усиливают задающий форму термопластичный пластик, могут оптимизировать его с точки зрения его характерного для конкретного материала параметра. Волокна, нити или подобные жгуты могут быть выровнены таким образом, что они воспринимают соответствующие усилия и противодействуют им. Тем самым как на уровне макромеханики, так и микромеханики может быть предоставлена возможность противодействовать воздействиям нагрузок и высоким динамическим пиковым нагрузкам в соответствии с конструктивными и характерными для слоев решениями.
В частности, волокна или нити или подробная плетеная вязаная или тканевая структура могут вводиться в соединительный слой и таким образом воспринимать высокие сдвигающие и крутящие усилия. Действующие нагрузки, которые распределяются по нескольким осям и задают в плоскости плоскостной параллелограмм, воспринимаются в данном случае также конструктивным признаком геометрического выравнивания соединительного слоя. При этом, с одной стороны, благодаря изменению многоугольников может создаваться композитный конструктивный элемент, который может произвольно составляться по ширине и высоте и который благодаря соответствующим геометрическим решениям может воспринимать локально возникающие различные усилия. При этом конструктивными признаками являются признаки, при которых стороны соприкасаются таким образом, что они образуют угол от 30° до 60° или предпочтительный угол в 45°. Этот предпочтительный угол в 45° возник ввиду того, что сдвигающие и крутящие усилия возникают под углом в 45°. С другой стороны, комбинация материалов может предпочтительно использоваться для материала сердечника и волокон, так что в данном случае наряду с возможностью геометрического решения также возможно решение выровненного соответствующим образом материала. Соединение осуществляется при помощи полок и образует согласно использованным материалам повышающий соответствующую прочность и жесткость, включающий в себя волокна слой, который при воздействии нагрузки может воспринимать усилия в течение длительного периода. Дальнейшая передача усилий и распределение осуществляются через задающий форму материал сердечника, который в зависимости от объема может повышать характер пластичности.
В частности, второй компонент может укладываться в виде мата и соединять задающий форму сердечник. Благодаря укладке матов могут создаваться условия для простого складывания призматических тел, для того чтобы таким образом образовывать упомянутые, функционально ориентированные стороны при помощи двух или большего количества сложенных призматических тел, в частности, многогранников или цилиндрических тел. При этом благодаря геометрической форме задающего форму материала сердечника использование данного решения является простым и экономичным способом изготовления, который помимо этого обнаруживает улучшенное свойство относительно отдельных материалов. Функциональная ориентация достигается в данном случае посредством матов относительно установленных профилей свойств. При этом эти маты являются функциональной составной частью композитного конструктивного элемента и могут соответствующим образом повышать прочность.
Распределение волокон предпочтительно под углом в 45° может противодействовать нагрузкам - как правило, оптимизированным на заданной вследствие этого поверхности - при этом угле улучшенным образом и существенно повышать прочность. Было обнаружено то, что динамические нагрузки в первую очередь являются причиной инициированных трещин, называемых также усталостными трещинами, которые обычно возникают под углом в 45° к нормалям к поверхности. Благодаря выравниванию волокон трещинообразование может сокращаться таким образом, что может предусматриваться более высокая усталостная прочность.
Предпочтительно в способе изготовления композитного конструктивного элемента задающий форму материал сердечника экструдируется. Изготовление геометрической формы термопластичного пластика может осуществляться посредством экономичного и простого способа. При помощи экструзии нить термопластичной пластмассы может непрерывно и под давлением выдавливаться из задающего форму отверстия, при этом задающее форму отверстие имеет соответствующую ориентацию полок. Благодаря экструзии соответствующее тело образовывается с произвольной длиной и таким образом может изготовляться в соответствии с применением. При помощи установленных величин процесса благодаря этому способу может предоставляться экономичное, простое и быстрое производство геометрических термопластичных пластиков.
В принципе выполненную в виде плетеной структуры систему волокон следует широко понимать как любой тип системы нитей, которая обладает определенной вариативностью с точки зрения пересекающихся, направленных друг к другу волокон. Предпочтительно этим является плетение или плетеная структура, у которой несколько нитей из податливого и в этом отношении как такового гибкого материала, включающего в себя материал волокон, переплетаются друг с другом, или вязаная структура, у которой податливый и в этом отношении как таковой гибкий материал, включающий в себя материал волокон, переплетается сам с собой; также возможны петлеобразующие системы нитей, такие как трикотаж. Сверх этого, также возможны тканеобразные структуры, у которых нити - хотя это и менее предпочтительно, но возможно - полностью или частично проведены друг относительно друга перпендикулярно или приблизительно под углом в 90°, предпочтительно в точке пересечения имеют угол волокна, который составляет предпочтительно от 10° до 90°, предпочтительно от 30° до 60°, предпочтительно волокна ориентируются друг относительно друга под углом волокна в 45° с диапазоном отклонения в ±10° или под другим определенным углом волокна с диапазоном отклонения в ±5°.
В соответствии с этим наиболее предпочтительны, в частности, такие типы системы нитей, чей угол волокна к тому же можно устанавливать вариативно, в частности, чей угол волокна устанавливается вариативно автоматически, в зависимости от размеров и формы вводимого, задающего форму материала сердечника. Следовательно, наиболее предпочтительна гибкая и способная вариативно принимать определенную форму, выполненная в виде плетеной структуры система волокон с переменным углом волокна. Определенные системы волокон наиболее хорошо способствуют этому свойству, как, например, в частности, выполненная в виде плетеной структуры система волокон, которая выбрана из группы, состоящей из: плетения, вязания, трикотажа.
Теперь примеры осуществления изобретения описываются в дальнейшем при помощи чертежа в сравнении с уровнем техники, который, например, также представлен. Это описание должно представлять примеры осуществления не обязательно определяющими, а скорее, в виде чертежа, для чего разъяснения выполнены пригодно, в схематизированном и/или немного искаженном виде. Относительно добавлений различимых непосредственно из чертежа технических решений делается ссылка на соответствующий уровень техники. При этом следует учитывать то, что разнообразные модификации или изменения относительно формы и подробности варианта осуществления могут производиться без отхода от общей идеи изобретения. Раскрытые в описании, на чертеже, а также в пунктах формулы изобретения признаки изобретения могут быть существенными для усовершенствования изобретения как по отдельности, так и в любой комбинации. Кроме того, в объем изобретения входят все комбинации, по меньшей мере, из двух раскрытых в описании, на чертеже и/или в пунктах формулы изобретения признаков. Общая идея изобретения не ограничена точной формой или подробностью показанного в дальнейшем и описанного варианта осуществления или ограничена предметом, который был бы ограничен по сравнению с заявленным в пунктах формулы изобретения предметом. При указанных диапазонах измерений находящиеся в данном случае внутри упомянутых границ значения должны также раскрываться и произвольно использоваться и испрашиваться в качестве пороговых значений. Дальнейшие преимущества, признаки и подробности изобретения проистекают из последующего описания предпочтительных примеров осуществления, а также при помощи чертежа.
В частности, на чертеже показаны:
фиг. 1А - схематичное изображение композитного конструктивного элемента в предпочтительном варианте осуществления, причем задающий форму сердечник представляется в виде призмы с многоугольником в качестве основания;
фиг. 1Б - схематичное изображение композитного конструктивного элемента в предпочтительном варианте осуществления, причем задающий форму сердечник представляется в виде призм с различными геометрическими основаниями;
фиг. 2 - схематичное изображение соединенных призм с многоугольным основанием, причем изображена дополнительная оболочка;
фиг. 3 - схематичное изображение задающего форму сердечника предпочтительного варианта осуществления, причем термопластичный пластик изображен в виде вытянутого шланга с круглым поперечным сечением и соответствующей оболочкой;
фиг. 4 - схематичное изображение композитного конструктивного элемента в виде сложенного многогранника;
фиг. 5 - схематичное изображение поперечного сечения композитного конструктивного элемента, причем вариант осуществления имеет в плоскости поперечного сечения ячеистую структуру;
фиг. 6 - упрощенное изображение поперечного сечения лопасти ротора;
фиг. 7 - ветроэнергетическая установка;
фиг. 8 - блок-схема предпочтительного варианта осуществления способа изготовления.
На фиг. с 1 по 8 для простоты для одинаковых или схожих элементов или элементов одинаковых или схожих функций были использованы одинаковые ссылочные позиции.
Фиг. 1А показывает на фрагменте композитный конструктивный элемент 1001 в первом варианте осуществления, который в этом фрагменте выполнен таким образом, что, по меньшей мере, двухкомпонентные композитные фасонные части выполнены в виде двух призматических тел 10.1, 10.2, в данном случае в виде двух призм с равнобедренным трапецеидальным основанием G. Заштрихованный в данном случае темным цветом соединительный слой 20 ориентирован под углом в 45°; то есть этот угол в 45° следует измерять применительно к обозначенной поперечной оси Q по отношению к базису B трапецеидального основания G. Задающий форму материал сердечника призматических тел 10.1, 10.2 является в данном случае выбираемым произвольно и свободно термопластичным пластиком с характерными для конкретного материала свойствами, который помимо этого благодаря соединению приобретает прочность, которая обусловлена соединительным слоем 20. При этом благодаря выбору материала соединения и выбранной объемной доле соединительных слоев может достигаться характерная для конкретной нагрузки механическая прочность, которая может адаптироваться к соответствующим воздействиям нагрузок.
Фиг. 1Б показывает на фрагменте композитный конструктивный элемент 1002 во втором варианте осуществления, который в этом фрагменте выполнен в виде композитных фасонных частей, включающих в себя призматические тела 10.1, 10.2 с трапецеидальным основанием 11, 12 и призматическое тело 10.3 с треугольным основанием 13. Обозначаемые в данном случае как призмы цилиндрические призматические тела 10.1, 10.2, 10.3 соединяются на своих сторонах, причем в данном случае функциональная ориентация соединительного слоя на поперечной оси Q проходит под углом 45° к базисной поверхности BF, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм. Материал и объем соединительного слоя 20 может выбираться по необходимости и обозначен штриховкой. Схематичное в данном случае изображение показывает функциональную ориентацию соединительного слоя. Таким образом, посредством геометрии задающего форму материала сердечника может реализовываться направленная против усилия конструкция.
Фиг. 2 показывает на фрагменте композитный конструктивный элемент 1003 в третьем варианте осуществления, который в этом фрагменте в качестве композитных тел соединяет два обозначаемых как призмы цилиндрических призматических тела 10.1, 10.2. Призмы в каждом случае имеют одинаковое трапецеидальное основание 11, 12, причем поверхность призмы покрыта образующим плетеное или тканевое волокнистое покрытие 30 вторым компонентом в качестве части соединительного слоя, чьи волокна выровнены. Таким образом, эти выровненные в соответствии с действующими усилиями волокна могут являться причиной дополнительной прочности и жесткости в плоскости соединительных слоев. При этом как макромеханика, так и микромеханика композитного конструктивного элемента могут рассчитываться оптимизированным образом благодаря конструктивному исполнению соединительного слоя, а также ориентации дополнительного покрытия.
На фиг. 3 для композитного конструктивного элемента 1004 в четвертом варианте осуществления изображено композитное тело, включающее в себя обозначаемое как призма цилиндрическое призматическое тело 10.4, в данном случае с основанием GF в виде двенадцатиугольника 14; то есть угольника с базисом B и соответственно небольшим углом α соединительного слоя к базису B. В данном случае призма покрыта образующим плетеное или тканевое волокнистое покрытие 30 вторым компонентом в качестве части соединительного слоя; а именно в данном случае с функционально выровненной ориентацией волокон. Оболочка может реализовываться с использованием плетеного шланга, который имеет выровненные дополнительно вовнутрь волокна. Посредством оболочки этого цилиндрического призматического тела 10.4 с почти круглым, тем не менее, многоугольным основанием может не только образовываться мелкоячеистая сеть из соединительных слоев 20, но и наряду с большой объемной долей благодаря дополнительной ориентации волокон может увеличиваться прочность.
Этот тип исполнения показывает то, что для оболочки может использоваться шланг, который идеально адаптируется к поперечному сечению круга, так что в этом случае благодаря небольшим граням многоугольника оболочка с направленной ориентацией может регулироваться таким образом, что она является причиной повышенной прочности композитного конструктивного элемента; тем не менее, вполне возможно ориентированное объединение множества таких композитных фасонных частей в композитный конструктивный элемент 1004.
Фиг. 4 показывает для композитного конструктивного элемента 1005 в пятом варианте осуществления композитное фасонное тело, включающее в себя обозначаемое как призма трехмерное призматическое тело 10.5 в виде многогранника. Мог бы также изображаться композитный конструктивный элемент 1005, который составлен из композитных тел в виде призм с треугольными основаниями GF, 12. При этом соединительный слой 20 представляет собой обладающий прочностью компонент материала, который ввиду своей ориентации неразъемно окружает вдоль направленных полок задающий форму сердечник. Этот тип композитных конструктивных элементов может просто реализовываться в своем изготовлении, так как соединение может осуществляться при помощи простого складывания одинаковых геометрических призм, в соединительных слоях которых может быть предусмотрен - но не обязательно - волокнистый материал, образующий покрытие 30 приблизительно описанного выше типа.
Фиг. 5 показывает на поперечном сечении фрагмент композитного конструктивного элемента 1006 в шестом варианте осуществления, образованного посредством соединения нескольких обозначаемых как призма цилиндрических или трехмерных идентичных призматических тел 10.6, которые соединены при помощи соединительного слоя 20 с покрытием, так что в поперечном сечении образуется устойчивая ячеистая структура. Ячеистые структуры обладают высокой прочностью, и могут восприниматься соответствующие динамические и статические нагрузки. Благодаря выбору призм с шестиугольным основанием и одновременной ориентации полок в выбранном диапазоне угла от 30° до 60° к базису B или к базисной поверхности BF образуется ячеистая структура, которая посредством ориентации и выбора соответствующего соединительного слоя может противодействовать высокому воздействию нагрузки. Таким образом, при помощи ячеистой структуры, образованной, в частности, в соответствии со способом согласно концепту изобретения, может достигаться повышенная прочность для композитного конструктивного элемента 1006.
На фиг. 6 упрощенно изображена на поперечном сечении лопасть 108 ротора для ветроэнергетической установки 100. Эта лопасть 108 ротора включает в себя верхнюю полуоболочку 108.о и нижнюю полуоболочку 108.u, причем в этих оболочках предусмотрены в качестве усиления несущие структуры 10.o и 10.u, которые могут воспринимать и поглощать действующие на лопасть ротора нагрузки. Эти несущие структуры могут образовываться посредством элементов лопасти ротора, например, с многослойной конструкцией или посредством упомянутых композитных конструктивных элементов 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006, для того чтобы воспринимать именно эти соответствующие нагрузки. Фрагмент X с фиг. 6 показывает такую несущую структуру 10 с множеством композитных фасонных частей 1 из материала 2 сердечника, окруженного гибкой, выполненной в виде плетеной структуры системой 20 волокон, которые - в данном случае в качестве примера - собраны в плотнейшем пакете для образования композитного конструктивного элемента 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 для несущей структуры 10.
Фиг. 7 показывает ветроэнергетическую установку 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположен ротор 106 с тремя лопастями 108 ротора - примерно аналогичными по виду лопасти 108 ротора с фиг. 6 - и обтекателем 110. Ротор 106 во время эксплуатации приводится во вращательное движение ветром и вследствие этого приводит в действие генератор в гондоле 104.
Фиг. 8 в рамках блок-схемы показывает предпочтительный вариант осуществления способа изготовления для композитного конструктивного элемента 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 или для объединения множества композитных фасонных частей 1 в композитный конструктивный элемент 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 для несущей структуры 10 для введения в лопасть 108 ротора ветроэнергетической установки 100. На первом шаге S1 разъясненным ранее образом предоставляется в распоряжение термопластичный пластик, а на втором шаге S2 волокнистая композиционная заготовка в виде плетеной структуры, предпочтительно в виде мата или плетеного шланга.
На третьем шаге S3 термопластичный пластик производится в качестве задающего форму материала сердечника в виде бесконечной нити, и на четверном шаге S4 он может по необходимости разделяться на множество композитных фасонных частей; а именно он образуется, следуя форме призмы, в виде призматического тела с многоугольным основанием, причем многоугольник основания имеет базис и угол к базису, который составляет от 30° до 60°.
В первом варианте на шаге S3.1 термопластичный пластик может подводиться из смешивания гранулята в экструдер и на выходе экструдера вводиться в виде пластичной нити непосредственно в плетеный шланг.
Плетеный шланг имеет пересекающиеся волокна, которые в точке пересечения имеют угол волокна в 45°, и растягивается вокруг еще мягкого, задающего форму материала сердечника, если этот материал охлаждается. Вследствие этого мягкий, задающий форму материал затвердевает вокруг или в плетеном шланге или на его волокнах, так что возникает соединение между плетеным шлангом и термопластичным материалом, при определенных условиях с плетеным шлангом полностью или, по меньшей мере, частично, но не обязательно на его наружной стороне; мягкий, задающий форму материал может оставаться в пределах контуров плетеного шланга или же полностью или частично проникать наружу через плетение; то есть в последнем случае просачиваться и при необходимости даже снова укладываться снаружи вокруг плетеного шланга и окружать его.
Множество призматических тел, уже имеясь в виде композитных тел, могут соединяться в композитный конструктивный элемент, причем на стыкующихся друг с другом сторонах функциональная ориентация соединительных слоев выполняется таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30°-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм.
Сходный процесс может осуществляться при помощи плетеного мата. Во втором варианте на шаге S3.2 термопластичный пластик может подводиться из смешивания гранулята в экструдер и на выходе экструдера предоставляться в распоряжение в виде пластичной нити и разделяться. Полученное таким образом множество призматических тел - при помощи или без расположенного между ними мата - может соединяться, причем на стыкующихся друг с другом сторонах функциональная ориентация соединительных слоев выполняется таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм. Предпочтительно композитные фасонные тела для этого складываются друг на друга; даже при помощи расположенного между ними, то есть расположенного в соединительном слое 20 плетеного мата 30 этот процесс и последующее за ним горячее соединение осуществляются как сравнительно простые.
Определенный, в общем, в предмете заявки второй компонент в виде части соединительного слоя 20 может быть, в частности, согласно этому варианту осуществления плетеным матом 30 или горячим швом.
Приблизительно изображенным на фрагменте X с фиг. 6 образом множество композитных фасонных частей могут собираться на шаге S5 в несущую структуру.
Несущая структура на шаге S6 может вводиться в полуоболочку лопасти 108 ротора или в другой элемент ветроэнергетической установки 100. В данном случае полуоболочки объединяются в заготовку лопасти ротора и подвергаются дальнейшим шагам изготовления, пока лопасть ротора на шаге S7 не сможет закрепляться на ветроэнергетической установке 100 изображенного на фиг. 7 типа.
1. Способ изготовления композитного конструктивного элемента, в частности для ветроэнергетической установки, включающего в себя множество, по меньшей мере, двухкомпонентных композитных фасонных частей, причем первый компонент образуют из задающего форму материала сердечника, а второй компонент образуют в виде части соединительного слоя, причем
- задающий форму материал сердечника образуют, сообразно форме призмы, в виде призматического тела с многоугольным основанием, причем многоугольник основания имеет базис и угол к базису, который составляет от 30° до 60°, и
- соединяют множество призматических тел, причем на стыкующихся друг с другом сторонах выполняют функциональную ориентацию соединительных слоев таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30°-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм,
отличающийся тем, что
- второй компонент образован в виде плетеного мата, причем плетеный мат укладывают между первым и вторым призматическими телами и соединяют с задающим форму сердечником призматических тел, причем
- задающий форму материал сердечника получают посредством экструзии, причем
- композитный конструктивный элемент соединяют горячим соединением.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол к базису многоугольника находится при 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на стыкующихся друг с другом сторонах образуют функциональную ориентацию соединительных слоев, которая проходит под углом в 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°, к базисной поверхности призм.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что задающий форму материал сердечника образован с многоугольным основанием сообразно форме цилиндрического тела.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что второй компонент в виде покрытия, в частности оболочки, задающего форму материала сердечника имеет функциональную ориентацию волокон, в частности нитей, друг относительно друга под углом 30°-60°, предпочтительно под углом в 45°.
6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что задающий форму материал сердечника соединяют с получением призматического тела в форме трехмерного многогранника, причем угол поверхностей многогранника к базисной поверхности составляет от 30° до 60°, предпочтительно поверхность многогранника имеет угол к базисной поверхности в 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°.
7. Композитный конструктивный элемент, в частности для ветроэнергетической установки, включающий в себя множество, по меньшей мере, двухкомпонентных композитных фасонных частей, причем первый компонент образован из задающего форму материала сердечника, а второй компонент образован в виде части соединительного слоя, причем
- задающий форму материал сердечника образован, сообразно форме призмы, в виде призматического тела с многоугольным основанием, причем многоугольник основания имеет базис и угол к базису, который составляет от 30° до 60°, и
- множество призматических тел соединены, причем на стыкующихся друг с другом сторонах выполнена функциональная ориентация соединительных слоев таким образом, что соединительный слой проходит под углом 30°-60° к базисной поверхности, по меньшей мере, одной из прилегающих друг к другу призм,
отличающийся тем, что
- второй компонент образован в виде плетеного мата, причем плетеный мат уложен между первым и вторым призматическими телами и соединен с задающим форму сердечником призматических тел, причем
- задающий форму материал сердечника получен посредством экструзии, причем
- композитный конструктивный элемент соединен горячим соединением.
8. Композитный конструктивный элемент по п.7, отличающийся тем, что второй компонент в виде покрытия, в частности оболочки, задающего форму материала сердечника имеет функциональную ориентацию волокон, в частности нитей, друг относительно друга под углом 30°-60°, предпочтительно под углом в 45°.
9. Композитный конструктивный элемент по п.7 или 8, отличающийся тем, что
- задающий форму материал сердечника и/или функциональная ориентация соединительных слоев образует плоскостной рисунок поперечного сечения из шестиугольников, и
- стыкующиеся друг с другом, в частности соединенные по плоскости, стороны функциональной ориентации соединительных слоев проходят под углом 30°-60°, предпочтительно 45° в пределах отклонения в ±10°, предпочтительно ±5°, к базисной поверхности призм, причем базисная поверхность ориентирована параллельно к базису шестиугольника.
10. Композитный конструктивный элемент по п.7 или 8, отличающийся тем, что задающий форму материал сердечника имеет, по меньшей мере, один компонент из группы: акрилнитрил-бутадиен-стирол, полиамиды, полилактат, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиэтилентерефталат, полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэфиркетон и поливинилхлорид.
11. Композитный конструктивный элемент по п.7 или 8, отличающийся тем, что задающий форму материал сердечника усилен дополнительными, расположенными внутри, функционально ориентированными волокнами.
12. Композитный конструктивный элемент по п.7, отличающийся тем, что он выполнен в виде многослойного конструктивного элемента для ветроэнергетической установки с использованием множества композитных фасонных частей для образования конструктивного элемента сердечника, при этом конструктивный элемент сердечника, по меньшей мере, с одной стороны покрыт, по меньшей мере, одним покровным слоем.
13. Композитный конструктивный элемент по п.7, отличающийся тем, что он выполнен в виде элемента лопасти ротора для лопасти ротора ветроэнергетической установки с использованием множества композитных фасонных частей для образования конструктивного элемента сердечника, при этом конструктивный элемент сердечника окружен, по меньшей мере, одним покровным слоем лопасти ротора, в частности элемент лопасти ротора имеет многослойный конструктивный элемент по п.12.
14. Ветроэнергетическая установка, включающая в себя башню, гондолу и ротор с колпаком ротора и несколькими лопастями ротора, отличающаяся тем, что лопасть ротора имеет композитный конструктивный элемент по любому из пп.7-13.
