BR112015006385B1 - Método para formar uma conexão estrutural entre uma capa delongarina e uma carenagem aerodinâmica para uma pá de turbina eólica, pá deturbina eólica e turbina eólica - Google Patents

Método para formar uma conexão estrutural entre uma capa delongarina e uma carenagem aerodinâmica para uma pá de turbina eólica, pá deturbina eólica e turbina eólica Download PDF

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Abstract

MÉTODO PARA FORMAR UMA CONEXÃO ESTRUTURAL ENTRE UMA CAPA DELONGARINA E UMA CARENAGEM AERODINÂMICA PARA UMA PÁ DE TURBINA EÓLICA, PÁ DETURBINA EÓLICA E TURBINA EÓLICA Um método para formar uma conexão estrutural entre uma capa de longarina (14) e uma carenagem aerodinâmica (12). Um compósito compreendendo uma matriz não curada e um sólido compressível é aplicado entre a capa de longarina e carenagem e então é comprimido e curado para aderir a carenagem à capa de longarina. O compósito de matriz curada possui um volume vazio de pelo menos 20%. O grande volume vazio quer dizer que como a carenagem é comprimida para o local e comprime o compósito, possui espaço onde deformar de forma a não colocar tensão indevida na carenagem e produzir uma conexão de peso leve.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se refere a um método para formar uma conexão estrutural entre uma longarina e uma carenagem aerodinâmica e em particular a uma longarina e uma carenagem aerodinâmica para uma pá de turbina eólica.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Pás de turbina eólica modernas são tipicamente feitas fabricando separadamente um feixe estrutural ou longarina que se estende ao longo do comprimento da pá e duas metades de casco, ou carenagens aerodinâmicas, que são anexadas à longarina para definir o perfil aerodinâmico da pá.
[003] Um método típico de anexação das carenagens à longarina é mostrado nas Figuras 1A-1C. Neste método, um adesivo 2 é aplicado às superfícies superior e inferior da longarina 4 e as carenagens 6 são posicionadas sobre o adesivo 2 para encerrar a longarina 4, como mostrado na Figura 1B. Tipicamente, uma cavidade com uma espessura entre 5 mm e 50 mm vai existir entre as superfícies superior e inferior da longarina 4 e carenagens 6, e o adesivo 2 enche esta cavidade. As carenagens 6 então são fixadas contra a longarina 4 para apertar o adesivo 2 e ligar as carenagens 6 à longarina 4. Como as forças necessárias para apertar o adesivo 2 são altas, as carenagens 6 tipicamente são mantidas nas ferramentas em que elas são formadas para a etapa de ligar cada carenagem 6 à longarina 4.
[004] No entanto, como as carenagens 6 são pressionadas contra a longarina 4, o adesivo aplica pressão à superfície interna das carenagens 6. Isto pode levar à distorção das carenagens 6 e as ferramentas (não mostrado) em que eles são mantidos, resultando em uma superfície aerodinâmica distorcida 8, como mostrado na Figura 1C. Assim, as ferramentas devem ser de rigidez estrutural suficiente para evitar tal distorção.
[005] Apesar de ser aceitável para pás menores, a técnica acima pode ser extremamente cara quando usada para ligar pás maiores, tais como aquelas que são de 45 metros ou mais de comprimento. Isto ocorre devido ao custo de construção de uma ferramenta grande o suficiente para acomodar as carenagens, rígida o suficiente para não entortar, e que pode ser erguida e aproximada de maneira precisa.
[006] A patente US 2009/0226702 está direcionada a uma junta de adesivo para o uso na junção de vários componentes de turbina eólica. Este documento reconhece um problema com adesivo excessivo usado nestas juntas. Em particular, não é possível remover este adesivo em excesso em uma estrutura fechada. Tal adesivo em excesso pode quebrar em uso e causar problemas tais como o entupimento de furos de drenagem e causar forças de impacto danificadoras. De maneira a superar este problema, este documento propõe prover uma camada porosa que se estende além da junta de adesivo. Uma vez que o espaço na região da junta em torno do membro poroso é completamente cheio com adesivo, adesivo em excesso será pressionado para as partes da camada porosa fora da junta. Então é retido durante o uso dentro desta camada porosa e os problemas dos pedaços soltos de adesivo são resolvidos. Este documento não aborda a distorção assegurada das carenagens e ferramentas que é abordada pela presente invenção.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[007] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um método para formar uma conexão estrutural entre uma capa de longarina e uma carenagem aerodinâmica para uma pá de turbina eólica, compreendendo as etapas de aplicar um compósito entre a capa de longarina e a carenagem, o compósito compreendendo uma matriz não curada e um sólido compressível, comprimir o sólido deformável de forma que o compósito ocupa substancialmente um espaço entre a capa de longarina e a carenagem, curar a matriz para manter o sólido compressível no seu estado comprimido com o compósito tendo um volume vazio de pelo menos 30%, e aderir a carenagem à capa de longarina enquanto a matriz é curada.
[008] Com este arranjo, o compósito aplica uma pressão à capa de longarina e a superfície interna da carenagem que é suficiente para garantir que as superfícies ligantes estejam bem conectadas, mas que é pequeno o suficiente para evitar a distorção da carenagem durante a montagem. A pressão relativamente pequena exercida pelo compósito é bastante um fator do volume vazio significativo. Isto quer dizer não apenas que a matriz deve ter uma densidade relativamente pequena, mas também permite prontamente que a matriz seja comprimida já que existe amplo espaço em que o material deformável pode ser pressionado sem criar resistência indevida contra a carenagem. O volume vazio também ajuda a reduzir o peso da junta.
[009] Um volume vazio de pelo menos 20% permite a vantagem da pressão baixa destacada acima. No entanto, na prática, o volume vazio pode ser significativamente maior provido que a integridade estrutural da junta é mantida. Volumes vazios menores proveem benefícios de peso adicionais. Assim, o volume vazio preferivelmente pode ser maior do que 30%, preferivelmente maior do que 40%, preferivelmente maior do que 50%, preferivelmente maior do que 60%, preferivelmente maior do que 70%.
[010] Ainda, desigualdade na carenagem, longarina, ou compósito podem ser suavizadas pelo sólido compressível já que ele se deforma no espaço entre a capa de longarina e carenagem. Por exemplo, onde o espaço entre carenagem e capa de longarina é localmente reduzido, o sólido compressível será mais comprimido, enquanto que um adesivo tradicional incompressível é provável de entortar a carenagem. Assim, uma conexão estrutural de som pode ser formada sem induzir pressões grandes ou desiguais na carenagem.
[011] Adicionalmente, por curar a matriz para reter o sólido compressível no seu estado deformado, o compósito pode prover uma conexão estrutural entre a carenagem e a capa de longarina que resiste ao entupimento da carenagem.
[012] A aderência da carenagem à capa de longarina pode ser realizada pela matriz. A matriz pode compreender uma resina epóxi e/ou um adesivo estrutural.
[013] Alternativamente, um adesivo adicional pode ser provido, em que a aderência da carenagem à capa de longarina é realizada pelo menos em parte pelo adesivo adicional. Isto vai aumentar a adesão entre a carenagem, o compósito e a capa de longarina.
[014] Em uma modalidade preferida, a matriz é não espumante. Isto evita a expansão excessiva do compósito que pode levar à distorção da carenagem.
[015] O sólido deformável preferivelmente é aproximadamente 20% mais grosso do que a parte mais larga da cavidade quando em um estado não comprimido.
[016] Qualquer sólido compressível adequado pode ser usado, apesar de preferivelmente o sólido compressível compreende uma primeira camada porosa que confronta a carenagem e uma segunda camada porosa que confronta a capa de longarina, a primeira e a segunda camadas porosas que são separadas por uma terceira camada que possui uma espessura maior e uma densidade menor do que a primeira e a segunda camadas.
[017] Assim, esta camada com baixa densidade forma uma proporção significativa do sólido compressível e sua menor densidade permite o volume vazio. A densidade relativamente alta da primeira e da segunda camadas que são porosas quer dizer que a resina ou o adesivo a partir da terceira camada podem passar através da primeira e da segunda camadas para contatar com a carenagem e capa de longarina respectivamente, provendo uma grande área de superfície que liga com a carenagem e a capa de longarina respectivamente.
[018] A primeira e a segunda camadas podem ser de qualquer material que provê uma área de superfície relativamente alta e permite que o adesivo passe através, tal como uma malha plástica moldada. No entanto, eles são preferivelmente uma estrutura fibrosa que pode ser uma estrutura semelhante a feltro não tecida, mas é preferivelmente tecida.
[019] A terceira camada pode ser qualquer material compressível que pode suportar as camadas superiores e inferiores no seu estado não comprimido e que, no local, possui um espaço vazio grande o suficiente de forma que uma vez que a matriz é aplicada e o compósito é comprimido e curado, é capaz de prover o volume vazio desejado. A terceira camada no seu estado não comprimido e antes da aplicação da matriz preferivelmente possui um volume vazio de pelo menos 30%, mais preferivelmente 40% e ainda mais preferivelmente 50%. A terceira camada, por exemplo, pode ser uma espuma de célula aberta, mas preferivelmente é formada de fibras as quais são tecidas ou costuradas entre a primeira e a segunda camadas. Para tal estrutura, as fibras da terceira camada em geral são perpendiculares à primeira e à segunda camadas tal que, em uso, elas vão ligar o interstício entre a carenagem e capa de longarina provendo desta forma bom suporte para a carenagem uma vez que a matriz foi curada.
[020] O compósito pode ser formado adicionando a matriz uma vez que o tecido tridimensional foi colocado entre a carenagem e a capa de longarina. Em uma modalidade preferida, o tecido tridimensional é impregnado com a matriz antes da etapa de aplicar o compósito entre a capa de longarina e a carenagem. Isto simplifica o processo de montagem. Um modo de aplicar a matriz é passar o sólido compressível através de um banho que contém a matriz. O compósito impregnado então é passado através de um par de rolos, o espaço entre o qual pode ser ajustado para apertar o compósito em um maior ou menor grau removendo desta forma tanto da matriz quanto for necessário para alcançar o volume vazio desejado no produto acabado.
[021] O método é adequado para produzir uma pá de turbina eólica de qualquer comprimento. Em uma modalidade preferida, a pá tem pelo menos 45 metros de comprimento.
[022] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é provido uma pá de turbina eólica compreendendo uma longarina com pelo menos uma capa de longarina, uma carenagem posicionada sobre a capa de longarina, e um compósito que enche substancialmente um espaço entre a capa de longarina e a carenagem, em que o compósito compreende uma matriz curada, um sólido comprimido e um volume vazio de pelo menos 20%.
[023] O compósito pode ser arranjado para aderir a capa de longarina à carenagem. Esta reduz as etapas de montagem necessárias. Alternativamente, a pá compreende adicionalmente um adesivo adicional arranjado para aderir pelo menos parcialmente a capa de longarina à carenagem. Este suplementa qualquer adesão provida pelo compósito, ou, no caso onde substancialmente nenhuma adesão é provida pelo compósito, provê a adesão.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[024] Uma modalidade preferida da invenção será descrita agora, por meio de exemplo apenas, com referência aos desenhos anexos.
[025] As Figuras 1A a 1C são vistas esquemáticas de uma carenagem e uma longarina de uma pá de turbina eólica conectada usando um método convencional.
[026] A Figura 2 é uma vista de perspectiva de uma pá de turbina eólica de acordo com a presente invenção.
[027] A Figura 3 é uma vista de seção parcial esquemática através da linha 3-3 da Figura 2, que mostra a conexão estrutural entre carenagem e a longarina.
[028] A Figura 4 é uma vista de perspectiva esquemática de um sólido deformável para o uso com a pá da Figura 2.
[029] A Figura 5 é uma vista de seção parcial esquemática de uma primeira conexão estrutural alternativa entre a carenagem e a longarina, que mostra o sólido deformável em um estado deformado.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[030] Em referência à Figura 2, a pá de turbina eólica 10 possui uma carenagem aerodinâmica 12 que encerra e é anexada à longarina estrutural 14 se estendendo ao longo do comprimento da pá 10. A carenagem aerodinâmica 12 é uma estrutura semirrígida, tal como um GFRP compreendendo fibras de fibra de vidro, por exemplo, PPG Hybon® 2002, e uma matriz de suporte de resina epóxi, por exemplo, Dow Airstone® 780.
[031] Como mostrado na Figura 3, a carenagem 12 é posicionada sobre a longarina 14 tal que uma cavidade 16 é definida entre a carenagem 12 e uma capa de longarina 18 na superfície superior da longarina 14. Um compósito 20 está disposto entre a carenagem 12 e a capa de longarina 18 e substancialmente enche a cavidade 16. O compósito 20 compreende um tecido de fibra de vidro tecido tridimensional, tal como Parabeam® PG18, e uma matriz de suporte curada da resina epóxi, tal como Dow Airstone® 780, que é ligada tanto com a carenagem 12 quanto com a capa de longarina 18 para formar uma conexão estrutural entre a carenagem 12 e a longarina 14. Por “conexão estrutural” se quer dizer que o compósito 20 forma uma conexão com suficiente resistência ao cisalhamento, resistência compressiva, adesão e rigidez compressiva que a carenagem 12 permanece anexada à longarina 14 durante o uso e não é feita entupir pelas forças induzidas na pá 10 durante o uso.
[032] Com referência à Figura 4, o tecido tridimensional 22 compreende duas lâminas de face fibrosa substancialmente paralelas 24 entre as quais se estendem fibras de conexão resilientes 26 tecidas nas lâminas de face 24. As fibras 26 são arranjadas para prover um espaço vazio muito alto entre a primeira e a segunda lâminas (neste caso, de 94 a 97%). Esta é uma medida do volume total ocupado pelo ar entre as lâminas 24 como uma porcentagem do volume total entre as lâminas 24. Um espaço inteiramente cheio com fibras pode representar um volume vazio de 0%, enquanto a ausência de quaisquer fibras representa um volume vazio de 100%. Esta é uma medida do espaço vazio no tecido não comprimido antes da aplicação da resina.
[033] Para formar a conexão estrutural, uma camada dos três tecidos tridimensionais 22, que é mais grossa do que a cavidade 16, é pré- impregnada com uma resina epóxi não curada 23. Isto é feito passando o tecido através de um banho de resina não curada e então passando o tecido revestido através do par de rolos. Isto permite que o interstício entre os rolos seja ajustado para alcançar a quantidade desejada de resina para fornecer o espaço vazio necessário no artigo acabado. A resina vai se apegar às fibras (como mostrado na Fig. 4 que mostra apenas três tais fibras revestidas - o restante será revestido na prática), mas não enche o espaço entre as lâminas 24. A densidade das lâminas 24 é tal que a maioria, se não tudo, do espaço entre as fibras nas lâminas 24 é cheio pela resina de maneira a garantir uma boa superfície de contato tanto com a longarina 14 quanto com a carenagem 12.
[034] O compósito é posicionado na capa de longarina 18 da longarina 14. Neste exemplo, a camada de tecido 22 é aproximadamente 20% mais grossa do que o ponto mais largo da cavidade 16. A carenagem 12 então é posicionada sobre o compósito 20 para formar a cavidade 16 e mantida no local por gabaritos de montagem (não mostrados) até que a resina tenha curado para formar a conexão estrutural.
[035] Como as fibras de conexão 26 do tecido 22 são deformáveis, o compósito não curado 20 se comporta como um colchão e pode se assemelhar com uma fundação elástica. Assim, o compósito 20 é comprimido entre a carenagem 12 e a capa de longarina 18 tal que toma a forma da cavidade 16. Quando comprimido, o tecido 22 do compósito 20 aplica uma pressão igual ao interior da carenagem 12 que é suficiente para garantir que superfícies de ligação sejam bem conectadas, mas não tão grande que a superfície aerodinâmica da carenagem 12 seja entortada. Desta maneira, a conexão estrutural é formada sem a necessidade de aplicar grandes forças externas para apertar o adesivo e arriscar danificar as ferramentas e a carenagem 12.
[036] Uma vez que a resina curou, o compósito enrijecido 20 deve formar uma conexão estrutural suficiente entre a longarina 14 e a carenagem 12. Em outras palavras, as propriedades estruturais do tecido 22 e a resina deve ser selecionada tal que o compósito curado 20 possui suficientes características de resistência ao desgaste, resistência compressiva, e rigidez compressiva para uma dada instalação. Desta maneira, a carenagem 12 vai permanecer anexada à capa de longarina 18 e pode resistir ao entupimento que de outra forma pode resultar durante o uso da pá 10.
[037] De maneira a prover a capacidade de deformação necessária e a resistência compressiva no artigo acabado, o compósito deve ter um volume vazio de pelo menos 30% no seu estado comprimido e curado. Neste exemplo, o espaço vazio é de 80%. O material curado, comprimido preferivelmente possui uma densidade de 160 a 300 km/m3. Isto permite bastante espaço para o tecido deformar quando comprimido como é destacado acima. Deve ser notado que o volume vazio é o volume vazio do material compósito. Qualquer região do material que contém apenas fibras e nenhum material de matriz é um material de fase única e não composto. Assim, quaisquer tais regiões são excluídas quando se determina o volume vazio. Assim, por exemplo, US 2009/0226702 possui certas regiões que possuem um volume vazio de 0% onde o adesivo está presente e outras regiões onde apenas a camada porosa está presente que não representam parte do compósito.
[038] Para permitir que a carenagem 12 seja conectada com a longarina estrutural 14 sem qualquer deformação significativa, a relação entre a rigidez da carenagem 12 e aquela do compósito 20 no seu estado não curado deve estar na região de:
Figure img0001
[039] Onde: - Ks é a rigidez de fundação do compósito 20 no seu estado não curado, neste caso correspondendo à rigidez do tecido 22, medida como módulo elástico por unidade de espessura (Pa/M) e definida como o quociente do módulo elástico do material de fundação e a espessura total do material de fundação; e - Kf é a rigidez de dobramento da carenagem 12, medida em unidade de pressão (Pa) e definida como o produto do módulo elástico e momento de inércia de área dos elementos constitutivos da carenagem 12. A rigidez de dobramento também pode ser considerada como uma resistência da estrutura à curvatura sob um carregamento aplicado.
[040] Em referência à Figura 5, um adesivo estrutural tradicional 28, tal como um adesivo epóxi preenchido regular, pode ser aplicado ao tecido tridimensional 22 para auxiliar na ligação da carenagem 12 à longarina 14.
[041] Apesar de a longarina ter sido descrita como compreendendo uma capa de longarina, ela pode ser um feixe simples, por exemplo, um feixe de seção de caixa.
[042] Em vez de ser formada a partir de cascos superior e inferior, a carenagem aerodinâmica pode ser formada a partir de qualquer número de cascos.
[043] Apesar de o sólido deformável ter sido descrito na primeira modalidade como um tecido tridimensional, qualquer material resiliente e compressível pode ser usado.
[044] Em adição, apesar de o compósito ter sido descrito como o tecido tridimensional com uma matriz de resina, a matriz pode ser um adesivo estrutural.
[045] A espessura não comprimida do tecido tridimensional pode ser mais ou menos 20% mais grossa do que a espessura da cavidade entre carenagem e a longarina, dependendo das características de compressibilidade do tecido.
[046] Apesar de o tecido tridimensional ser descrito como sendo pré-impregnado com a resina, a resina pode ser adicionada ao tecido no local, por exemplo, através de injeção na cavidade entre a carenagem e a capa de longarina enquanto elas são mantidas no local pelo gabarito de montagem.
[047] O compósito pode ser posicionado na carenagem antes de posicionar a carenagem na capa de longarina, em vez de ser posicionado na capa de longarina.

Claims (14)

1. MÉTODO PARA FORMAR UMA CONEXÃO ESTRUTURAL ENTRE UMA CAPA DE LONGARINA (18) E UMA CARENAGEM AERODINÂMICA (12) PARA UMA PÁ DE TURBINA EÓLICA (10), caracterizado por compreender as etapas de: - passar um compósito (20) impregnado compreendendo uma matriz não curada (23) e um sólido compressível (26), através de um par de rolos para remover parte da matriz (23) para alcançar um compósito (20) tendo um volume vazio de pelo menos 20%; - aplicar o compósito (20) entre a capa de longarina (18) e a carenagem (12); - comprimir o sólido compressível (26) de forma que o compósito (20) ocupe um espaço (16) entre a capa de longarina (18) e a carenagem (12); - curar a matriz (23) para manter o sólido compressível (26) no seu estado comprimido; e - aderir a carenagem (12) à capa de longarina (18) enquanto a matriz (23) é curada.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo volume vazio ser pelo menos 30%, preferivelmente pelo menos 40%, preferivelmente pelo menos 50%, preferivelmente pelo menos 60% e preferivelmente pelo menos 70%.
3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela aderência da carenagem (12) à capa de longarina (18) ser realizada pela matriz (23).
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente prover um adesivo adicional (28), em que a aderência da carenagem (12) à capa de longarina (18) é realizada pelo menos em parte pelo adesivo adicional (28).
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela matriz (23) ser não espumante.
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo sólido compressível (26) ser deformado por compressão.
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo sólido compressível (26) compreender uma primeira camada porosa (24) que confronta a carenagem (12) e uma segunda camada porosa (24) que confronta a capa de longarina (18), a primeira e a segunda camadas porosas (24) sendo separadas por uma terceira camada que possui uma espessura maior e uma densidade menor do que a primeira e a segunda camadas (24).
8. MÉTODO de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela pá (10) ter pelo menos 45 metros de comprimento.
9. PÁ DE TURBINA EÓLICA (10), caracterizada por compreender: - uma longarina (14) com pelo menos uma capa de longarina (18); - uma carenagem (12) posicionada sobre a capa de longarina (18); e - um compósito (20) que enche um espaço (16) entre a capa de longarina (18) e a carenagem (12), em que o compósito (20) compreende uma matriz curada (23), um sólido comprimido (26) e um volume vazio de pelo menos 20%.
10. PÁ DE TURBINA EÓLICA (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo volume vazio ser de pelo menos 30% e mais preferivelmente pelo menos 40%.
11. PÁ DE TURBINA EÓLICA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10, caracterizada pelo sólido compressível (26) compreender uma primeira camada porosa (24) que confronta a carenagem (12) e uma segunda camada porosa (24) que confronta a capa de longarina (18), a primeira e a segunda camadas porosas (24) sendo separadas por uma terceira camada que possui uma espessura maior e uma densidade menor do que a primeira e a segunda camadas (24).
12. PÁ DE TURBINA EÓLICA (10), de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pela primeira e a segunda camadas (24) serem camadas fibrosas tecidas.
13. PÁ DE TURBINA EÓLICA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 12, caracterizada pela terceira camada ser formada de fibras que são tecidas ou costuradas entre a primeira e a segunda camadas (24).
14. TURBINA EÓLICA, caracterizada por compreender uma pá de turbina eólica (10) conforme definida em qualquer uma das reivindicações 9 a 13.
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