BR112020010096A2

BR112020010096A2 - método para fabricar um painel de pá de rotor

Info

Publication number: BR112020010096A2
Application number: BR112020010096-0A
Authority: BR
Inventors: James Robert Tobin; Thomas Merzhaeuser; Todd Anderson
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-10-13
Also published as: EP3713752A4; MX2020007180A; CN111587178B; DK3713752T3; US20190152165A1; CA3083117A1; US10913216B2; BR112020010096B1; EP3713752B1; ES2932838T3; CN111587178A; WO2019103829A2; WO2019103829A3; EP3713752A2; EP4122684A1; PL3713752T3

Abstract

Um método para fabricar um painel de pá de rotor de uma turbina eólica inclui colocar um molde do painel de pá de rotor em relação a um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC). O método também inclui a formação de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra no molde. O método também inclui imprimir e depositar, através do dispositivo de CNC, uma pluralidade de membros de nervuras que se cruzam para formar pelo menos uma estrutura de grade de reforço tridimensional (3-D) em uma superfície interna do um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra antes que o um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra tenha(m) resfriado. Além disso, a estrutura de grade se liga ao(s) um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra à medida que a estrutura é depositada. Além disso, a pluralidade de membros de nervura inclui, pelo menos, um primeiro membro de nervura que se estende em uma primeira direção e um segundo membro de nervura que se estende em uma segunda direção diferente. Além disso, o primeiro membro de nervura tem uma altura variável ao longo do seu comprimento.

Description

“MÉTODO PARA FABRICAR UM PAINEL DE PÁ DE ROTOR” CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se em geral a pás de rotores de turbinas eólicas, e mais particularmente a métodos de fabricação de painéis de pás de rotores de turbinas eólicas com estruturas de grade impressas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e ecologicamente corretas atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas ganharam maior atenção a esse respeito. Uma turbina eólica moderna normalmente inclui uma torre, um gerador, uma caixa de engrenagens, uma barquinha e uma ou mais pás de rotor. As pás de rotor capturam a energia cinética do vento usando princípios conhecidos da folha de alumínio. As pás de rotor transmitem a energia cinética na forma de energia rotacional, de modo a girar um eixo que acopla as pás de rotor a uma caixa de engrenagens ou, se uma caixa de engrenagens não for usada, diretamente ao gerador. O gerador então converte a energia mecânica em energia elétrica que pode ser implantada em uma rede elétrica.

[003] As pás de rotor, de forma geral, incluem uma carcaça lateral de sucção e uma carcaça lateral de pressão tipicamente formada usando processos de moldagem que são ligados entre si em linhas de ligação ao longo das extremidades dianteira e traseira da pá. Além disso, as conchas de pressão e sucção são relativamente leves e têm propriedades estruturais (por exemplo, rigidez, resistência e força de empeno) que não são configuradas para suportar os momentos de flexão e outras cargas exercidas na pá de rotor durante a operação. Assim, para aumentar a rigidez, a resistência à empeno e a resistência da pá de rotor, a carcaça do corpo é tipicamente reforçada usando um ou mais componentes estruturais (por exemplo, coroas de longarina (spar caps) opostas com uma rede de cisalhamento configurada entre elas)

que engatam as superfícies laterais de pressão e sucção internas das metades do revestimento.

[004] As coroas de longarina são tipicamente construídas de vários materiais, incluindo, entre outros, compósitos laminados de fibra de vidro e/ ou compósitos laminados de fibra de carbono. O revestimento da pá de rotor é, de forma geral, construído em torno das coroas de longarina da pá, empilhando camadas de tecidos de fibra em um molde de revestimento. As camadas são então tipicamente infundidas em conjunto, por exemplo, com uma resina termoendurecível. Por conseguinte, as pás de rotor convencionais, de forma geral, têm uma configuração de painel sanduíche. Como tal, a fabricação convencional de pás de grandes pás de rotor envolve altos custos de mão de obra, produção lenta e baixa utilização de ferramentas de molde caras. Além disso, os moldes da pá podem ser caros de personalizar.

[005] Assim, os métodos para a fabricação de pás de rotor podem incluir a formação das pás de rotor em segmentos. Os segmentos da pá podem então ser montados para formar a pá de rotor. Por exemplo, algumas pás de rotor modernas, como as descritas no Pedido de Patente US: 14/753.137 depositado em 29 de junho de 2015 e intitulado “Pás modulares de rotores de turbinas eólicas e métodos de montagem iguais”, que são incorporadas aqui por referência em sua totalidade, possui uma configuração de painel modular. Assim, os vários componentes da pá modular podem ser construídos com materiais variados com base na função e/ ou localização do componente da pá.

[006] Em vista do exposto, o estado da técnica está continuamente buscando métodos aperfeiçoados para a fabricação de painéis de pás de rotores de turbinas eólicas.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[007] Aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na descrição a seguir, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.

[008] Em um aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para fabricar um painel de pá de rotor. O método inclui a colocação de um molde do painel de pá de rotor em relação a um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC). O método também inclui a formação de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra no molde. O método também inclui imprimir e depositar, através do dispositivo de CNC, uma pluralidade de elementos de nervura que formam pelo menos uma estrutura de grade de reforço tridimensional (3-D) em uma superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra antes do um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra serem resfriados pela formação.

Além disso, a estrutura de grade se liga ao(s) revestimento(s) externo(s) reforçado(s) com fibra à medida que a estrutura é depositada. Além disso, a pluralidade de elementos de nervura inclui pelo menos um primeiro elemento de nervura que se estende em uma primeira direção e um segundo elemento de nervura que se estende em uma segunda direção diferente. Além disso, o primeiro elemento de nervura tem uma altura variável ao longo do seu comprimento.

[009] Em outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para fabricar um painel de pá de rotor. O método inclui a colocação de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra em um molde do painel de pá de rotor. O método também inclui imprimir e depositar, através de um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC), uma pluralidade de elementos de nervura que se cruzam em uma pluralidade de nós para formar pelo menos uma estrutura de grade de reforço tridimensional (3-D) em uma superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra. Além disso, a estrutura de grade se fixa a um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra à medida que a estrutura de grade é depositada.

Além disso, uma ou mais alturas de elementos de nervura que se cruzam nos nós são diferentes.

[010] Em ainda outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para fabricar um painel de pá de rotor. O método inclui a colocação de um molde do painel de pá de rotor em relação a um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC). Além disso, o método inclui a formação de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra no molde. O método também inclui imprimir e depositar, através do dispositivo de CNC, pelo menos uma estrutura de grade de reforço tridimensional (3-D) em uma superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra antes do um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra esfriaram da formação. Assim, a estrutura de grade se fixa a um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra à medida que a estrutura de grade está sendo depositada. Além disso, a estrutura de grade inclui pelo menos um elemento de nervura curvado.

[011] Em ainda outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para fabricar um painel de pá de rotor. O método inclui a colocação de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra em um molde do painel de pá de rotor. O método também inclui imprimir e depositar, através de um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC), uma pluralidade de elementos de nervura que formam pelo menos uma estrutura de grade de reforço tridimensional (3-D) em uma superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra. Além disso, a estrutura de grade se fixa a um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra à medida que a estrutura de grade é depositada. Além disso, o método inclui a impressão de pelo menos um recurso adicional na estrutura de grade.

[012] Em ainda outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um painel de pá de rotor. O painel de pá de rotor inclui uma superfície externa com um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra. Além disso, o painel de pá de rotor inclui uma estrutura de grade impressa fixada a uma superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra. A estrutura de grade inclui uma pluralidade de elementos de nervura e pelo menos um recurso adicional impresso na estrutura de grade. Além disso, a pluralidade de elementos de nervura inclui pelo menos um primeiro elemento de nervura que se estende em uma primeira direção e um segundo elemento de nervura que se estende em uma segunda direção diferente. Além disso, o primeiro elemento de nervura tem uma altura variável ao longo do seu comprimento.

[013] Estas e outras recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidas com referência à descrição a seguir e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte do relatório descritivo, ilustram formas de realização da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[014] Uma descrição completa e possibilitadora da presente invenção, incluindo o melhor modo, direcionada a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais: A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção; A Figura 2 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma pá de rotor de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção; A Figura 3 ilustra uma vista explodida da pá de rotor modular da

Figura 2;

A Figura 4 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de um segmento de extremidade de ataque de uma pá de rotor modular de acordo com a presente invenção;

A Figura 5 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de um segmento de extremidade de fuga de uma pá de rotor modular de acordo com a presente invenção;

A Figura 6 ilustra uma vista em seção transversal da pá de rotor modular da Figura 2 de acordo com a presente invenção;

A Figura 7 ilustra uma vista em seção transversal da pá de rotor modular da Figura 2 de acordo com a presente invenção;

A Figura 8 ilustra uma vista lateral de uma forma de realização de um molde de um painel de pá de rotor, ilustrando particularmente uma capa externa colocada no molde com uma pluralidade de estruturas de grade impressas nele;

A Figura 9 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 10 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de um molde de um painel de pá de rotor com uma impressora tridimensional posicionada acima do molde, de modo a imprimir uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 11 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de um molde de um painel de pá de rotor com uma impressora tridimensional posicionada acima do molde e imprimindo um esboço de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 12 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de um molde de um painel de pá de rotor com uma impressora tridimensional posicionada acima do molde e imprimindo uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 13 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de um primeiro elemento de nervura de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 14 ilustra uma vista em seção transversal de outra forma de realização de um primeiro elemento de nervura de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 15 ilustra uma vista superior de uma forma de realização de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 16 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de um primeiro elemento de nervura e interseção de segundos elementos de nervura de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 17 ilustra uma vista lateral de uma forma de realização de um segundo elemento de nervura de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 18 ilustra uma vista superior de uma forma de realização de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção, ilustrando particularmente os elementos de nervura da estrutura de grade dispostos em um padrão aleatório;

A Figura 19 ilustra uma vista em perspectiva de outra forma de realização de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção,

ilustrando particularmente os elementos de nervura da estrutura de grade dispostos em um padrão aleatório;

A Figura 20 ilustra uma vista em perspectiva de outra forma de realização da estrutura de grade de acordo com a presente invenção, ilustrando particularmente uma estrutura de grade tendo elementos de nervura curvos;

A Figura 21 ilustra um gráfico de uma forma de realização do fator de carga de empeno (eixo y) versus razão de peso (eixo x) de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção;

A Figura 22 ilustra uma vista superior parcial de uma forma de realização de uma estrutura de grade impressa de acordo com a presente invenção, ilustrando particularmente um nó da estrutura de grade;

A Figura 23 ilustra uma vista superior parcial de uma forma de realização de uma estrutura de grade impressa de acordo com a presente invenção, ilustrando particularmente um local de impressão inicial e um local de impressão final da estrutura de grade;

A Figura 24 ilustra uma vista em elevação de uma forma de realização de um elemento de nervura impresso de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção, ilustrando particularmente uma seção de base de um dos elementos de nervura da estrutura de grade tendo uma seção transversal mais larga e mais fina que o restante do elemento de nervura, de modo a melhorar a ligação da estrutura de grade aos revestimentos externos do painel de pá de rotor;

A Figura 25 ilustra uma vista superior de outra forma de realização de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção,

ilustrando particularmente recursos adicionais impressos na estrutura de grade;

A Figura 26 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de uma pá de rotor tendo uma estrutura de grade impressa disposta de acordo com a presente invenção, particularmente ilustrando recursos de alinhamento impressas na estrutura de grade para receber as coroas de longarina e a rede de cisalhamento;

A Figura 27 ilustra uma vista parcial em corte transversal da pá de rotor da Figura 25, particularmente ilustrando recursos adicionais impressos na estrutura de grade para controlar o aperto do adesivo;

A Figura 28 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de uma pá de rotor que possui estruturas de grade impressas dispostas de acordo com a presente invenção, particularmente ilustrando recursos de alinhamento de painel macho e fêmea impressos na estrutura de grade; A Figura 29 ilustra uma vista superior de ainda outra forma de realização de uma estrutura de grade de acordo com a presente invenção, particularmente ilustrando recursos auxiliares impressos na estrutura de grade; A Figura 30 ilustra uma vista em seção transversal de uma forma de realização de um painel de pá de rotor de acordo com a presente invenção, ilustrando particularmente uma pluralidade de estruturas de grade impressas nas superfícies internas do painel de pá de rotor; e A Figura 31 ilustra uma vista parcial em corte transversal da extremidade de ataque do painel de pá de rotor da Figura 30, ilustrando particularmente uma pluralidade de lacunas adesivas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[015] Agora será feita referência em detalhe às formas de realização da invenção, um ou mais exemplos dos quais são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido como explicação da invenção, não como limitação da invenção. De fato, será evidente para os técnicos no assunto que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, recursos ilustrados ou descritos como parte de uma forma de realização podem ser usados com outra forma de realização para produzir uma forma de realização ainda mais adicional. Assim, pretende-se que a presente invenção cubra as modificações e variações incluídas no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

[016] De forma geral, a presente invenção é direcionada a métodos para a fabricação de estruturas de grade para pás de rotores de turbinas eólicas usando deposição automatizada de materiais por meio de tecnologias como impressão 3D, fabricação aditiva, deposição automatizada de fibras, bem como outras técnicas que utilizam o controle CNC e múltiplos graus de liberdade para depositar material. Como tal, as estruturas de grade da presente invenção são úteis para reforçar uma capa externa para uma pá de rotor de turbina eólica. O formato da grade pode ser otimizado para maximizar o fator de carga de empeno versus o peso e a velocidade de impressão. Além disso, a fabricação aditiva permite um reforço mais personalizado em comparação com os painéis sanduíche convencionais.

[017] Assim, os métodos aqui descritos fornecem muitas vantagens não presentes no estado da técnica. Por exemplo, os métodos da presente invenção fornecem a capacidade de personalizar facilmente estruturas de pá com várias curvaturas, recursos aerodinâmicos, forças, rigidez, etc. Como tal, as estruturas impressas da presente invenção podem ser projetadas para corresponder à rigidez e/ ou resistência ao empeno dos painéis sanduíche existentes para as pás de rotor. De forma mais específica, as pás de rotor e os componentes da presente invenção podem ser mais facilmente personalizados com base na resistência local ao empeno necessária. Ainda, outras vantagens incluem a capacidade de dobra local e temporariamente para reduzir cargas e/ ou ajustar a frequência ressonante das pás de rotor para evitar frequências problemáticas. Além disso, as estruturas de grade descritas neste documento permitem o acoplamento torção-curva da pá de rotor.

[018] Além disso, os métodos da presente invenção fornecem um alto nível de automação, produtividade mais rápida e custos de ferramentas reduzidos e/ ou maior utilização de ferramentas. Além disso, os componentes da pá de rotor da presente invenção podem não exigir adesivos, especialmente aqueles produzidos com materiais termoplásticos, eliminando desse modo custos, problemas de qualidade e peso extra associado à pasta adesiva.

[019] Com referência agora aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma forma de realização de uma turbina eólica (10) de acordo com a presente invenção. Como mostrado, a turbina eólica (10) inclui uma torre (12) com uma nacela (14) montada nela. Uma pluralidade de pás de rotor (16) é montada em um cubo de rotor (18), que por sua vez é conectado a um flange principal que gira um eixo de rotor principal. Os componentes de geração e controle de energia de turbinas eólicas estão alojados dentro da nacela (14). A vista da Figura 1 é fornecida apenas para fins ilustrativos para colocar a presente invenção em um campo de uso exemplificativo. Deve ser notado que a invenção não se limita a qualquer tipo particular de configuração de turbina eólica. Além disso, a presente invenção não está limitada ao uso com turbinas eólicas, mas pode ser utilizada em qualquer aplicação com pás de rotor. Além disso, os métodos aqui descritos também podem se aplicar à fabricação de qualquer estrutura semelhante que se beneficie da impressão de uma estrutura diretamente nos revestimentos dentro de um molde antes que os revestimentos tenham esfriado, de modo a aproveitar o calor dos revestimentos, fornecer uma ligação adequada entre a estrutura impressa e os revestimentos. Como tal, a necessidade de adesivo adicional ou cura adicional é eliminada.

[020] Com referência agora às Figuras 2 e 3, várias vistas de uma pá de rotor (16) de acordo com a presente invenção são ilustradas. Como mostrado, a pá de rotor ilustrada (16) tem uma configuração segmentada ou modular. Também deve ser entendido que a pá de rotor (16) pode incluir qualquer outra configuração adequada agora conhecida ou posteriormente desenvolvida na técnica. Como mostrado, a pá de rotor modular (16) inclui uma estrutura de pá principal (15) construída, pelo menos em parte, a partir de um material termoendurecível e/ou termoplástico e pelo menos um segmento de pá (21) configurado com a estrutura de pá principal (15). Mais especificamente, como mostrado, a pá de rotor (16) inclui uma pluralidade de segmentos de pá

(21). O(s) segmento(s) de pá (21) também podem ser construídos, pelo menos em parte, a partir de um material termoendurecível e/ou termoplástico.

[021] Os componentes e/ou materiais da pá de rotor termoplásticos, como aqui descritos, geralmente abrangem um material plástico ou polímero que é de natureza reversível. Por exemplo, os materiais termoplásticos normalmente se tornam maleáveis ou moldáveis quando aquecidos a uma certa temperatura e retornam a um estado mais rígido após o resfriamento. Além disso, os materiais termoplásticos podem incluir materiais termoplásticos amorfos e/ou materiais termoplásticos semicristalinos. Por exemplo, alguns materiais termoplásticos amorfos podem geralmente incluir, mas não estão limitados a estirenos, vinis, celulósicos, poliésteres, acrílicos, polissulfonas e/ou imidas. Mais especificamente, materiais termoplásticos amorfos exemplificativos podem incluir poliestireno, acrilonitrila butadieno estireno (ABS), poli metil metacrilato (PMMA), polietileno tereftalato modificado com glicol (PET-G), policarbonato, acetato de polivinil, poliamida amorfa, cloretos de polivinil (PVC), cloreto de polivinilideno, poliuretano ou qualquer outro material termoplástico amorfo adequado. Além disso, materiais termoplásticos semicristalinos exemplificativos podem geralmente incluir, mas não estão limitados a poliolefinas, poliamidas, fluropolímeros, acrilato de etil- metil, poliésteres, policarbonatos e/ ou acetais. Mais especificamente, materiais termoplásticos semicristalinos exemplificativos podem incluir polibutileno tereftalato (PBT), polietileno tereftalato (PET), polipropileno, sulfeto de polifenila, polietileno, poliamida (náilon), poliéter-cetona ou qualquer outro material termoplástico semicristalino adequado.

[022] Além disso, os componentes e/ou materiais termoendurecíveis como aqui descritos geralmente abrangem um material plástico ou polímero que é de natureza não reversível. Por exemplo, os materiais termoendurecíveis, uma vez curados, não podem ser facilmente remodelados ou retornados ao estado líquido. Assim, após a formação inicial, os materiais termoendurecíveis geralmente são resistentes ao calor, à corrosão e/ou à fluência. Exemplos de materiais termoendurecíveis podem geralmente incluir, mas não estão limitados a alguns poliésteres, alguns poliuretanos, ésteres, epóxis ou qualquer outro material termoendurecível adequado.

[023] Além disso, como mencionado, o material termoplástico e/ou termoendurecível, conforme descrito aqui, pode opcionalmente ser reforçado com um material de fibra, incluindo, mas não limitado a fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de polímero, fibras de madeira, fibras de bambu, fibras cerâmicas, nanofibras, fibras metálicas ou similares ou combinações das mesmas. Além disso, a direção das fibras pode incluir multiaxial, unidirecional, biaxial, triaxial ou qualquer outra direção adequada e/ou combinações das mesmas. Além disso, o teor de fibra pode variar dependendo da rigidez requerida no componente de pá correspondente, da região ou localização do componente de pá na pá de rotor (16) e/ou da soldabilidade desejada do componente.

[024] Mais especificamente, como mostrado, a estrutura de pá principal (15) pode incluir qualquer um ou uma combinação dos seguintes: uma seção de raiz da pá pré-formada (20), uma seção de ponta da pá pré-formada (22), uma ou mais uma ou mais coroas de longarina contínuas (48, 50, 51, 53), uma ou mais redes de cisalhamento (35) (Figuras 6-7), um componente estrutural adicional (52) preso à seção de raiz da pá (20) e/ou qualquer outro componente estrutural adequado da pá de rotor (16). Além disso, a seção de raiz da pá (20) está configurada para ser montada ou de outra forma presa ao rotor (18) (Figura 1). Além disso, como mostrado na Figura 2, a pá de rotor (16) define uma extensão (23) que é igual ao comprimento total entre a seção de raiz da pá (20) e a seção de ponta da pá (22). Como mostrado nas Figuras 2 e 6, a pá de rotor (16) também define uma corda (25) que é igual ao comprimento total entre um bordo de ataque (24) da pá de rotor (16) e um bordo de fuga (26) da pá de rotor (16). Como é geralmente entendido, a corda (25) pode geralmente variar em comprimento em relação a extensão (23), quando a pá de rotor (16) se estende da seção de raiz da pá (20) até a seção de ponta da pá (22).

[025] Referindo-se particularmente às Figuras 2-4, qualquer número de segmentos de pá (21) ou painéis com qualquer tamanho e/ou forma adequados pode ser geralmente disposto entre a seção de raiz da pá (20) e a seção de ponta da pá (22) ao longo de um eixo longitudinal (27) em uma direção geralmente em sentido de extensão. Assim, os segmentos de pá (21) geralmente servem como revestimento/ cobertura externa da pá de rotor (16) e podem definir um perfil substancialmente aerodinâmico, tal como definindo uma seção transversal simétrica ou curvada em forma de aerofólio. Em formas de realização adicionais, deve ser entendido que a parte de segmento de pá da pá (16) pode incluir qualquer combinação dos segmentos descritos neste documento e não está limitada à forma de realização como representado. Além disso, os segmentos de pá (21) podem ser construídos de qualquer material adequado, incluindo, mas não se limitando a, um material termoendurecível ou um material termoplástico opcionalmente reforçado com um ou mais materiais de fibra. Mais especificamente, em certas formas de realização, os painéis de pá (21) podem incluir qualquer um, ou combinação dos seguintes: segmentos laterais de pressão e/ou sucção (44, 46), (Figuras 2 e 3), segmentos de bordo de ataque e/ou de fuga (40, 42) (Figuras 2-6), um segmento não articulado, um segmento de articulação única, um segmento de pá com várias articulações, um segmento de pá em forma de J ou similar.

[026] Mais especificamente, como mostrado na Figura 4, os segmentos do bordo de ataque (40) podem ter uma superfície lateral de pressão de avanço (28) e uma superfície lateral de sucção de avanço (30). Da mesma forma, como mostrado na Figura 5, cada um dos segmentos do bordo de fuga (42) pode ter uma superfície lateral de pressão traseira (32) e uma superfície lateral de sucção traseira (34). Assim, a superfície lateral de pressão de avanço (28) do segmento do bordo de ataque (40) e a superfície lateral de pressão traseira (32) do segmento do bordo de fuga (42) geralmente definem uma superfície lateral de pressão da pá de rotor (16). Da mesma forma, a superfície lateral de sucção de avanço (30) do segmento do bordo de ataque (40) e a superfície lateral de sucção traseira (34) do segmento do bordo de fuga (42) geralmente definem uma superfície lateral de sucção da pá de rotor (16). Além disso, como particularmente mostrado na Figura 6, o(s) segmento(s) do bordo de ataque (40) e o(s) segmento(s) do bordo de fuga (42) podem ser unidos em uma junção lateral de pressão (36) e uma junção lateral de sucção (38). Por exemplo, os segmentos de pá (40, 42) podem ser configurados para se sobreporem na junção lateral de pressão (36) e/ou na junção lateral de sucção (38). Além disso, como mostrado na Figura 2, os segmentos de pá adjacentes (21) podem ser configurados para se sobreporem em uma junção (54). Assim, onde os segmentos de pá (21) são construídos, pelo menos parcialmente, de um material termoplástico, os segmentos de pá adjacentes (21) podem ser soldados juntos ao longo das junções (36, 38, 54), que será discutido em mais detalhes aqui. Alternativamente, em certas formas de realização, os vários segmentos da pá de rotor (16) podem ser fixados juntos por meio de um adesivo (ou prendedores mecânicos) configurado entre os segmentos do bordo de ataque e de fuga sobrepostos (40, 42) e/ou os segmentos do bordo de ataque ou de fuga adjacentes sobrepostos (40, 42).

[027] Em formas de realização específicas, como mostrado nas Figuras 2-3 e 6-7, a seção de raiz da pá (20) pode incluir uma ou mais coroas de longarina que se estendem longitudinalmente (48, 50) infundidas com a mesma. Por exemplo, a seção de raiz da pá (20) pode ser configurada de acordo com o pedido de patente US 14/753.155, depositado em 29 de junho de 2015, intitulado “Blade Root Section for a Modular Rotor Blade and Method of Manufacturing Same”, que é incorporado aqui por referência em sua totalidade.

[028] Da mesma forma, a seção de ponta da pá (22) pode incluir uma ou mais coroas de longarina que se estendem longitudinalmente (51, 53) infundidas com a mesma. Mais especificamente, como mostrado, as coroas de longarina (48, 50, 51, 53) podem ser configuradas para serem encaixadas contra superfícies internas opostas dos segmentos da pá (21) da pá de rotor (16). Além disso, as coroas de longarina (48, 50) da raiz da pá podem ser configuradas para alinhar com as coroas de longarina (51, 53) da ponta da pá.

Assim, as coroas de longarina (48, 50, 51, 53) podem geralmente ser projetadas para controlar as tensões de flexão e/ou outras cargas que atuam na pá de rotor (16) em uma direção geralmente em sentido de extensão (uma direção paralela a extensão (23) da pá de rotor (16)) durante a operação de uma turbina eólica (10). Além disso, as coroas de longarina (48, 50, 51, 53) podem ser projetadas para suportar a compressão em sentido de extensão que ocorre durante a operação da turbina eólica (10). Além disso, a(s) coroa(s) de longarina (48, 50, 51, 53) podem ser configurados para se estenderem a partir da seção de raiz da pá (20) para a seção de ponta da pá (22) ou uma parte das mesmas. Assim, em certas formas de realização, a seção de raiz da pá (20) e a seção de ponta da pá (22) podem ser unidas por meio de suas respectivas coroas de longarina (48, 50, 51, 53).

[029] Além disso, as coroas de longarina (48, 50, 51, 53) podem ser construídas com qualquer material adequado, por exemplo, um material termoplástico ou termoendurecível ou combinações dos mesmos. Além disso, as coroas de longarina (48, 50, 51, 53) podem ser pultrudadas a partir de resinas termoplásticas ou termoendurecíveis. Conforme aqui utilizado, os termos “pultrudado”, “pultrusões” ou similares geralmente abrangem materiais reforçados (por exemplo, fibras ou fios trançados ou tecidos) que são impregnados com uma resina e puxados através de uma matriz estacionária, de modo que a resina cure ou sofra polimerização. Como tal, o processo de fabricação de elementos pultrudados é tipicamente caracterizado por um processo contínuo de materiais compósitos que produz peças compostas com uma seção transversal constante. Assim, os materiais compósitos pré-curados podem incluir pultrusões construídas de materiais termoendurecíveis ou termoplásticos reforçados. Além disso, as coroas de longarina (48, 50, 51, 53) podem ser formadas pelos mesmos compósitos pré-curados ou diferentes compósitos pré-curados. Além disso, os componentes pultrudados podem ser produzidos a partir de fiações preliminares (rovings), que geralmente englobam feixes longos e estreitos de fibras que não são combinadas até serem unidas por uma resina curada.

[030] Com referência às Figuras 6-7, uma ou mais redes de cisalhamento (35) podem ser configuradas entre a uma ou mais coroas de longarina (48, 50, 51, 53). Mais particularmente, a(s) rede(s) de cisalhamento (35) podem ser configuradas para aumentar a rigidez na seção de raiz da pá (20) e/ou na seção de ponta da pá (22). Além disso, as redes de cisalhamento (35) podem ser configuradas para fechar a seção de raiz da pá (20).

[031] Além disso, como mostrado nas Figuras 2 e 3, o componente estrutural adicional (52) pode ser fixado à seção de raiz da pá (20) e se estender em uma direção geralmente em sentido de extensão, de modo a fornecer suporte adicional à pá de rotor (16). Por exemplo, o componente estrutural (52) pode ser configurado de acordo com o pedido US 14/753.150, depositado em 29 de junho de 2015, intitulado “Structural Component for a Modular Rotor Blade”, que é incorporado aqui por referência em sua totalidade. Mais especificamente, o componente estrutural (52) pode estender qualquer distância adequada entre a seção de raiz da pá (20) e a seção de ponta da pá

(22). Assim, o componente estrutural (52) é configurado para fornecer suporte estrutural adicional para a pá de rotor (16), bem como uma estrutura de montagem opcional para os vários segmentos de pá (21), como aqui descrito.

Por exemplo, em certas formas de realização, o componente estrutural (52) pode ser fixado à seção de raiz da pá (20) e pode estender uma distância em sentido de extensão predeterminada, de modo que os segmentos do bordo de ataque e/ou de fuga (40, 42) possam ser montados nela.

[032] Com referência agora às Figuras 8 a 19, a presente invenção é direcionada a métodos para a fabricação de painéis de pás de rotor (21) que têm pelo menos uma estrutura de grade de reforço impressa (62) formada via impressão 3D, por exemplo tal como os segmentos de pá ilustrados nas Figuras 2 a 7. Como tal, em certas formas de realização, o painel de pá de rotor (21) pode incluir uma superfície lateral de pressão, uma superfície lateral de sucção, um segmento do bordo de fuga, um segmento do bordo de ataque ou combinações dos mesmos. A impressão 3D, como aqui utilizada, é geralmente entendida como englobando processos usados para sintetizar objetos tridimensionais nos quais camadas sucessivas de material são formadas sob controle do computador para criar os objetos. Como tal, objetos de quase qualquer tamanho e/ou forma podem ser produzidos a partir de dados de modelos digitais. Deve-se entender ainda que os métodos da presente invenção não se limitam à impressão 3D, mas também podem abranger mais de três graus de liberdade, de modo que as técnicas de impressão não se limitam à impressão de camadas bidimensionais empilhadas, mas também são capazes de imprimir formas curvas.

[033] Referindo-se particularmente à Figura 10, uma forma de realização do método inclui a colocação de um molde (58) do painel de pá de rotor (21) em relação a um dispositivo de CNC (60). De forma mais específica, como mostrado na forma de realização ilustrada, o método pode incluir a colocação do molde (58) em um leito (61) do dispositivo de CNC (60). De forma alternativa, o método pode incluir a colocação do molde (58) sob o dispositivo de CNC (60) ou adjacente ao dispositivo de CNC (60). Além disso, como mostrado nas Figuras (8 e 10), o método da presente invenção inclui ainda a formação de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56) no molde (58) do painel de pá de rotor (21). Em certas formas de realização, o(s) revestimento(s) externo(s) (56) pode(m) incluir um ou mais revestimentos externos termoplásticos ou termoendurecíveis reforçados com fibras multiaxiais (por exemplo, biaxiais) contínuos. Além disso, em formas de realização particulares, o método de formação dos revestimentos externos reforçados com fibra (56) pode incluir pelo menos um dentre moldagem por injeção, impressão 3D, pultrusão em 2D, pultrusão em 3D, termoformação, formação por vácuo, formação por pressão, formação por bexiga, deposição automatizada de fibras, deposição automatizada de fitas de fibra ou infusão a vácuo.

[034] Além disso, como mostrado, o(s) revestimento(s) externo(s) (56) do painel de pá de rotor (21) pode(m) ser curvado(s). Em tais formas de realização, o método pode incluir formar a curvatura dos revestimentos externos reforçados com fibra (56). Essa formação pode incluir fornecer um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra geralmente planos, forçando os revestimentos externos (56) em uma forma desejada correspondente a um contorno desejado e mantendo os revestimentos externos (56) na forma desejada durante a impressão e a deposição. Como tal, os revestimentos externos (56) geralmente mantêm sua forma desejada quando os revestimentos externos (56) e a estrutura de grade (62) impressa a eles são liberados. Além disso, o dispositivo de CNC (60) pode ser adaptado para incluir uma trajetória de ferramenta que segue o contorno do painel de pá de rotor (21).

[035] O método também inclui imprimir e depositar a estrutura de grade (62) diretamente no(s) revestimento(s) externo(s) reforçado(s) com fibra(s) (56) através do dispositivo de CNC (60). De forma mais específica, como mostrado nas Figuras 9, 10, 12 e 15, o dispositivo de CNC (60) está configurado para imprimir e depositar uma pluralidade de elementos de nervura (64) que se cruzam em uma pluralidade de nós (74) para formar a estrutura de grade (62) sobre uma superfície interna do um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56). De forma alternativa, como mostrado na Figura 20, o dispositivo de CNC (60) também pode imprimir e depositar elementos de nervura (64) curvas, que não se cruzam para formar a estrutura de grade (62).

Em outras palavras, qualquer forma adequada da estrutura de grade pode ser impressa e depositada conforme desejado. Como tal, em certas formas de realização, a estrutura de grade (62) se liga ao(s) revestimento(s) externo(s) reforçado(s) com fibra (56) quando a estrutura (62) está sendo depositada, o que elimina a necessidade de adesivo adicional e/ ou tempo de cura.

[036] Por exemplo, em uma forma de realização, o dispositivo de CNC (60) está configurado para imprimir e depositar os elementos de nervura (64) na superfície interna do um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56) após o(s) revestimento(s) formado(s) (56) atingir(em) um estado desejado que permite a ligação dos elementos de nervura impressos (64) ao mesmo, ou seja, com base em um ou mais parâmetros de temperatura, tempo e/ou dureza. Portanto, em certas formas de realização, em que o(s) revestimento(s) (56) e a estrutura de grade (62) são formadas de uma matriz termoplástica, o dispositivo de CNC (60) pode imediatamente imprimir os elementos de nervura (64) ao mesmo enquanto a temperatura de formação do(s) revestimento(s) (56) e a temperatura de impressão desejada para permitir soldagem/ ligação termoplástica pode ser a mesma. Mais especificamente, em formas de realização particulares, antes que o(s) revestimento(s) (56) tenham esfriado a partir da formação (ou seja, enquanto os revestimentos ainda estão quentes ou aquecidos), o dispositivo de CNC (60) é configurado para imprimir e depositar os elementos de nervura (64) na superfície interna do um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56). Por exemplo, em uma forma de realização, o dispositivo de CNC (60) está configurado para imprimir e depositar os elementos de nervura (64) na superfície interna dos revestimentos externos (56) antes que os revestimentos (56) tenham esfriado completamente.

Além disso, em outra forma de realização, o dispositivo de CNC (60) está configurado para imprimir e depositar os elementos de nervura (64) na superfície interna dos revestimentos externos (56) quando os revestimentos (56) tiverem parcialmente resfriado. Assim, materiais adequados para a estrutura de grade (62) e os revestimentos externos (56) podem ser escolhidos de modo que a estrutura de grade (62) se ligue aos revestimentos externos (56) durante a deposição. Por conseguinte, a estrutura de grade (62) aqui descrita pode ser impressa usando os mesmos materiais ou materiais diferentes.

[037] Por exemplo, em uma forma de realização, um material termoendurecível pode ser infundido no material de fibra no molde (58) para formar os revestimentos externos (56) usando infusão a vácuo. Como tal, o saco de vácuo é removido após a cura e a uma ou mais estruturas de grade termoendurecíveis (62) podem então ser impressas na superfície interna dos revestimentos externos (56). Alternativamente, o saco de vácuo pode ser deixado no lugar após a cura. Em tais formas de realização, o material do saco de vácuo pode ser escolhido de modo que o material não se solte facilmente do material de fibra termoendurecível curado. Tais materiais, por exemplo, podem incluir um material termoplástico, tal como poli metil metacrilato (PMMA) ou filme de policarbonato. Assim, o filme termoplástico que é deixado no lugar permite a ligação de estruturas de grade termoplásticas (62) aos revestimentos termoendurecíveis com o filme no meio.

[038] Em ainda outras formas de realização, os revestimentos externos (56) podem ser formados de uma resina termoplástica reforçada com a estrutura de grade (62) sendo formada de uma resina à base de termofixos com reforço de fibra opcional. Em tais formas de realização, dependendo da química termoendurecível envolvida - a estrutura de grade (62) pode ser impressa nos revestimentos externos (56) enquanto os revestimentos (56) ainda estão quentes, mornos, parcialmente resfriados ou completamente resfriados.

[039] Além disso, o método da presente invenção pode incluir o tratamento dos revestimentos externos (56) para promover a ligação entre os revestimentos externos (56) e a estrutura de grade (62). Mais especificamente, em certas formas de realização, os revestimentos externos (56) podem ser tratados usando tratamento de chama, tratamento de plasma, tratamento químico, ataque químico, abrasão mecânica, gravação em relevo, elevando uma temperatura de pelo menos áreas a serem impressas nos revestimentos externos (56) e/ou qualquer outro método de tratamento adequado para promover a referida ligação. Em formas de realização adicionais, o método pode incluir formar os revestimentos externos (56) com mais (ou até menos) material de resina de matriz na superfície interna para promover a referida ligação. Em formas de realização adicionais, o método pode incluir variar a espessura do revestimento externo e/ou o conteúdo de fibra, bem como a orientação da fibra.

[040] Além disso, o método da presente invenção inclui a variação do projeto da estrutura de grade (62) (por exemplo, materiais, largura, altura, espessura, formas etc., ou combinações dos mesmos). Como tal, a estrutura de grade (62) pode definir qualquer forma adequada, de modo a formar qualquer componente de estrutura adequado, tal como a coroa de longarina (48, 50), a rede de cisalhamento (35) ou componentes estruturais adicionais (52) da pá de rotor (16). Por exemplo, como mostrado na Figura 11, o dispositivo de CNC (60) pode começar a imprimir a estrutura de grade (62) imprimindo primeiro um contorno da estrutura (62) e construindo a estrutura de grade (62) com os elementos de nervura (64) em várias passagens. Como tal, as extrusoras (65) do dispositivo de CNC (60) podem ser projetadas para ter qualquer espessura ou largura adequada, de modo a dispersar, uma quantidade desejada de material de resina para criar elementos de nervura (64) com alturas e/ou espessuras variáveis. Além disso, o tamanho da grade pode ser projetado para permitir o empeno local da folha de rosto entre os elementos de nervura (64), o que pode influenciar a forma aerodinâmica como um dispositivo de mitigação de carga extrema (rajada).

[041] Mais especificamente, como mostrado nas Figuras 9 a 15, os elementos de nervura (64) podem incluir, pelo menos, um primeiro elemento de nervura (66) que se estende em uma primeira direção (76) e um segundo elemento de nervura (68) que se estende em uma segunda direção diferente (78). Em várias formas de realização, como mostrado na Figura 15, a primeira direção (76) do primeiro conjunto (70) de elementos de nervura (64) pode ser geralmente perpendicular à segunda direção (78). Mais especificamente, em certas formas de realização, a primeira direção (76) pode ser geralmente paralela a uma direção em sentido de corda da pá de rotor (16) (isto é, uma direção paralela à corda (25) (Figura 2)), enquanto que a segunda direção (78) do segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) pode ser geralmente paralela com uma direção em sentido de extensão da pá de rotor (16) (isto é, uma direção paralela a extensão (23) (Figura 2)). Alternativamente, em uma forma de realização, uma orientação fora do eixo (por exemplo, de cerca de 20° a cerca de 70° ou ao segundo eixo (202)) pode ser fornecida na estrutura de grade (62) para introduzir acoplamento flexão-torção à pá de rotor (16), que pode ser benéfico como dispositivo de mitigação de carga passiva.

Alternativamente, a estrutura de grade (62) pode ser paralela às coroas de longarina (48, 50).

[042] Além disso, como mostrado nas Figuras 13 e 14, um ou mais dentre o primeiro e o segundo elemento de nervura (66, 68) podem ser impressos para ter uma altura variável ao longo de um comprimento (84, 85) do mesmo. Em formas de realização alternativas, como mostrado nas Figuras 16 e 17, um ou mais dentre o primeiro e segundo elemento de nervura (66, 68) podem ser impressos para ter uma altura uniforme (90) ao longo de um comprimento (84, 85) do mesmo. Além disso, como mostrado nas Figuras 9, 12 e 15, os elementos de nervura (64) podem incluir um primeiro conjunto (70) de elementos de nervura (64) (que contém o primeiro elemento de nervura (66)) e um segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) (que contém o segundo elemento de nervura (68)).

[043] Em tais formas de realização, como mostrado nas Figuras 13 e 14, o método pode incluir imprimir uma altura máxima (80) de um ou ambos dentre o primeiro conjunto (70) de elementos de nervura (64) ou o segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) em um local substancialmente a (isto é, +/- 10%) um momento de flexão máximo no painel de pá de rotor (21) que ocorre. Por exemplo, em uma forma de realização, o momento de flexão máximo pode ocorrer em uma localização central (82) da estrutura de grade (62), embora nem sempre. Como aqui utilizado, o termo “localização central” se refere, de modo geral, a uma localização do elemento de nervura (64) que contém o centro mais ou menos uma porcentagem predeterminada de um comprimento total (84) do elemento de nervura (64). Por exemplo, como mostrado na Figura 13, a localização central (82) inclui o centro do elemento de nervura (64) mais ou menos cerca de 10%. Alternativamente, como mostrado na Figura 14, a localização central (82) inclui o centro mais ou menos cerca de 80%. Em outras formas de realização, a localização central

(82) pode incluir menos que mais ou menos 10% do centro ou mais que mais ou menos 80% do centro.

[044] Além disso, como mostrado, o primeiro e o segundo conjuntos (70, 72) dos elementos de nervura (64) também podem incluir pelo menos uma extremidade afunilada (86, 88) que se afunila a partir da altura máxima (80). Mais especificamente, como mostrado, a(s) extremidade(s) afunilada(s) (86, 88) podem se afunilar em direção à superfície interna dos revestimentos externos reforçados com fibra (56). Tal afunilamento pode corresponder a certas localizações da pá que requerem mais ou menos suporte estrutural. Por exemplo, em uma forma de realização, os elementos de nervura (64) podem ser mais curtos na ponta da pá ou perto da ponta da pá e podem aumentar à medida que a estrutura de grade (62) se aproxima da raiz da pá.

Em certas formas de realização, como mostrado particularmente na Figura 14, uma inclinação da(s) extremidade(s) afunilada(s) (86, 88) pode ser linear. Em formas de realização alternativas, como mostrado na Figura 13, a inclinação da(s) extremidade(s) afunilada(s) (86, 88) pode ser não linear. Em tais formas de realização, as(s) extremidade(s) afunilada(s) (86, 88) fornece(m) uma relação de rigidez versus peso aprimorada do painel (21).

[045] Em formas de realização adicionais, uma ou mais alturas dos elementos de nervura que se cruzam (64) nos nós (74) podem ser diferentes. Por exemplo, como mostrado na Figura 16, as alturas do segundo conjunto (72) dos elementos de nervura (64) são diferentes do primeiro elemento de nervura (66) que se cruza. Em outras palavras, os elementos de nervura (64) podem ter alturas diferentes para as diferentes direções nos seus pontos de cruzamento. Por exemplo, em uma forma de realização, os elementos de nervura de direção em sentido de extensão (64) podem ter uma altura duas vezes mais alta que a altura dos elementos de nervura de direção em sentido de corda (64). Além disso, como mostrado na Figura 16, o segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) pode, cada um, ter uma altura diferente dos elementos de nervura adjacentes (64) no segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64). Em tais formas de realização, como mostrado, o método pode incluir a impressão de cada um dentre o segundo conjunto (70) de elementos de nervura (64) de modo que estruturas (64) com alturas maiores estejam localizadas em direção à localização central (82) da estrutura de grade (62). Além disso, o segundo conjunto (70) de elementos de nervura (64) pode ser afunilado ao longo de um comprimento (85) do mesmo, de modo que os elementos de nervura (64) sejam afunilados mais curtos à medida que os elementos de nervura se aproximam da ponta da pá.

[046] Em outras formas de realização, como mencionado, os elementos de nervura (64) podem ser impressos com espessuras variadas. Por exemplo, como mostrado na Figura 15, o primeiro conjunto (70) de elementos de nervura (64) define uma primeira espessura (94) e o segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) define uma segunda espessura (96). Mais especificamente, como mostrado, a primeira e a segunda espessuras (94, 96) são diferentes. Além disso, como mostrado nas Figuras 18 e 19, as espessuras de um único elemento de nervura (64) podem variar ao longo do seu comprimento.

[047] Referindo-se particularmente à Figura 15, o primeiro conjunto (70) de elementos de nervura (64) e/ou o segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) podem ser uniformemente espaçados. Em formas de realização alternativas, como mostrado nas Figuras 18 e 19, o primeiro conjunto (70) de elementos de nervura (64) e/ou o segundo conjunto (72) de elementos de nervura (64) podem estar desigualmente espaçados. Por exemplo, como mostrado, os métodos aditivos aqui descritos permitem estruturas internas complexas que podem ser otimizadas para cargas e/ou restrições geométricas da forma geral do painel de pá de rotor (21). Como tal, a estrutura de grade (62) da presente invenção pode ter formas semelhantes às que ocorrem na natureza, tal como estruturas orgânicas (por exemplo, ossos de pássaros, folhas, troncos ou similares). Por conseguinte, a estrutura de grade (62) pode ser impressa para ter uma estrutura de pá interna que otimiza rigidez e resistência, enquanto também minimiza o peso. Ainda em outra forma de realização, como mostrado na Figura 20, a estrutura de grade (62) pode incluir pelo menos um elemento de nervura (64) curvo. De forma mais específica, como mostrado, a estrutura de grade (62) inclui uma pluralidade de elementos de nervura (64) curvo. Além disso, como mostrado, o(s) elemento(s) de nervura curvo(s) pode(m) formar uma forma de onda.

[048] Em várias formas de realização, o tempo de ciclo de impressão dos elementos de nervura (64) também pode ser reduzido usando um padrão de nervura que minimiza a quantidade de mudança direcional. Por exemplo, as grades angulares de 45 graus provavelmente podem ser impressas mais rapidamente do que as grades de 90 graus em relação à direção de corda da impressora proposta, por exemplo. Como tal, a presente invenção minimiza a aceleração e desaceleração da impressora sempre que possível enquanto ainda imprime elementos de nervura (64) de qualidade.

[049] Em outra forma de realização, como mostrado nas Figuras 8 e 12, o método pode incluir a impressão de uma pluralidade de estruturas de grade (62) na superfície interna dos revestimentos externos reforçados com fibra (56). Mais especificamente, como mostrado, a pluralidade de estruturas de grade (62) pode ser impressa em locais separados e distintos na superfície interna dos revestimentos externos (56).

[050] Certas vantagens associadas à estrutura de grade (62) da presente invenção podem ser melhor compreendidas em relação à Figura 21. Como mostrado, o gráfico (100) ilustra a estabilidade da pá de rotor (16) (representada como o fator de carga de empeno “BLF”) no eixo y versus a razão em peso no eixo x. A curva (102) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor de painel imprensado convencional. A curva (104) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor que possui uma estrutura de grade não afunilada construída com fibras curtas. A curva (106) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor tendo uma estrutura de grade não afunilada sem fibras. A curva (108) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor tendo uma estrutura de grade (62) construída com elementos de nervura afunilados (64) com inclinação de 1:3 e sem fibras. A curva (110) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor tendo uma estrutura de grade (62) construída com elementos de nervura afunilados (64) com inclinação de 1:2 e sem fibras. A curva (112) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor (16) tendo uma estrutura de grade (62) contendo fibras curtas tendo uma primeira espessura e sendo construída de elementos de nervura afunilados (64) com inclinação de 1:3. A curva (114) representa a estabilidade versus a razão em peso para uma pá de rotor (16) tendo uma estrutura de grade (62) contendo fibras curtas tendo uma segunda espessura que é menor que a primeira espessura e sendo construída com elementos de nervura afunilados (64) com inclinação de 1:3. Assim, como mostrado, os elementos de nervura (64) contendo fibras maximizam o seu módulo, enquanto os elementos de nervura mais finos minimizam o peso adicionado à pá de rotor (16). Além disso, como mostrado, razões de conicidade mais altas aumentam o fator de carga de empeno.

[051] Com referência agora às Figuras 22 a 24, vários recursos adicionais da estrutura de grade (62) da presente invenção são ilustradas. Mais especificamente, a Figura 22 ilustra uma vista superior parcial de uma forma de realização da estrutura de grade impressa (62), ilustrando particularmente um dos nós (74) da mesma. Como mostrado, o dispositivo de CNC (60) pode formar pelo menos um ângulo substancialmente de 45 graus (95) para uma curta distância em um ou mais dentre a pluralidade de nós (74). Como tal, o ângulo de 45 graus (95) está configurado para aumentar a quantidade de apoio ou ligação nos cantos. Em tais formas de realização, como mostrado, pode haver uma leve sobreposição neste nó de canto.

[052] Referindo-se particularmente à Figura 23, é ilustrada uma vista superior parcial de uma forma de realização da estrutura de grade impressa (62), ilustrando particularmente um local de impressão inicial e um local de impressão final da estrutura de grade (62). Isso ajuda na inicialização e parada da impressão das nervuras. Quando o dispositivo de CNC (60) começa a imprimir os elementos de nervura (64) e o processo acelera, as extrusoras podem não extrudar perfeitamente o material de resina. Assim, como mostrado, o dispositivo de CNC (60) pode iniciar o processo de impressão com uma curva ou torção para fornecer um guia para a estrutura de nervura (64). Ao extrudar essa torção no local inicial, as extrusoras (65) recebem tempo para aumentar/abaixar mais lentamente sua pressão, em vez de serem obrigadas a iniciar instantaneamente em cima de um ponto de partida independente e estreito. Como tal, a torção permite que as estruturas de grade (65) da presente invenção sejam impressas em velocidades mais altas.

[053] Em certos casos, no entanto, essa curva de início pode criar um pequeno vazio (99) (isto é, a área dentro da torção) na região de partida, o que pode criar problemas à medida que o vazio (99) se propaga através das camadas em andamento. Por conseguinte, o dispositivo de CNC (60) também está configurado para terminar um dos elementos de nervura (64) dentro da torção da região de partida, de modo a impedir que o vazio (99) se desenvolva. Mais especificamente, como mostrado, o dispositivo de CNC (60) preenche essencialmente a curva inicial do um dos elementos de nervura (64) com uma localização final de outro elemento de nervura (64).

[054] Referindo-se particularmente à Figura 24, uma vista em elevação de uma forma de realização de um dos elementos de nervura (64) da estrutura de grade impressa (62) é ilustrada, particularmente ilustrando uma seção de base (55) dos elementos de nervura (64) tendo uma primeira camada mais larga W e mais fina T, de modo a melhorar a ligação da estrutura de grade (62) para os revestimentos externos (56) do painel de pá de rotor (21).

Para formar esta seção de base (55), o dispositivo de CNC (60) imprime uma primeira camada da estrutura de grade (62) de modo que as seções de base individuais (55) definam uma seção transversal que é mais larga e mais fina que o resto da seção transversal dos elementos de nervura (64). Em outras palavras, a seção de base mais larga e mais fina (55) dos elementos de nervura (64) fornece uma área de superfície maior para ligação aos revestimentos externos (56), transferência máxima de calor para os revestimentos externos (56), e permite que o dispositivo de CNC (60) opere em velocidades mais rápidas na primeira camada. Além disso, a seção de base (55) pode minimizar as concentrações de tensão na junta de ligação entre a estrutura (62) e os revestimentos externos (56).

[055] Com referência agora às Figuras 25 a 30, o dispositivo de CNC (60) descrito aqui também é configurado para imprimir pelo menos um recurso adicional (63) diretamente na(s) estrutura(s) de grade (62), em que o calor da impressão liga os recursos adicionais (63) à estrutura (62). Como tal, o(s) recurso(s) adicional(ais) (63) podem ser impressos diretamente em 3D na estrutura de grade (62). Essa impressão permite que o(s) recurso(s) adicional(ais) (63) sejam impressos na estrutura de grade (62) usando cortes feitos por baixo e/ou ângulos de desmoldagem (draft angles) negativos, conforme necessário. Além disso, em certos casos, o hardware para vários sistemas de pá pode ser montado dentro da estrutura de grade (62) e, em seguida, impresso para encapsular/proteger esses componentes.

[056] Por exemplo, como mostrado nas Figuras 25 a 28, recurso(s) adicional(ais) (63) pode(m) incluir recursos auxiliares (81) e/ou recursos de montagem (69). Mais especificamente, como mostrado nas Figuras 25 e 26, o(s) recurso(s) de montagem (69) podem incluir uma ou mais estruturas de alinhamento (73), pelo menos um recurso de manuseio ou elevação (71), uma ou mais folgas ou espaçamentos adesivos (95) ou uma ou mais áreas de contenção adesiva (83). Por exemplo, em uma forma de realização, o dispositivo de CNC (60) é configurado para imprimir uma pluralidade de recursos de manuseio (71) na estrutura de grade (62) para fornecer vários locais de preensão para remover o painel de pá de rotor (21) do molde (58). Além disso, como mostrado na Figura 25, uma ou mais áreas de contenção adesiva (83) podem ser formadas na estrutura de grade (62), por exemplo, de modo que outro componente de pá possa ser fixado ao mesmo ou desse modo.

[057] Em formas de realização particulares, como mostrado nas Figuras 26 e 27, o alinhamento ou a orientação na(s) estrutura(s) (73) pode incluir quaisquer recursos de alinhamento da coroa de longarina e/ou da rede de cisalhamento. Em tais formas de realização, como mostrado, a(s) estrutura(s) de grade (62) pode(m) ser impressa de modo que um ângulo da pluralidade de elementos de nervura (64) seja deslocado a partir de um local de coroa de longarina, de modo a criar uma área de contenção adesiva (83). Mais especificamente, como mostrado, as áreas de contenção adesiva (83) são configuradas para impedir a compressão de um adesivo (101). Deve ser entendido ainda que essas áreas de contenção adesiva (83) não estão limitadas aos locais de coroa de longarina, mas podem ser fornecidas em qualquer local adequado na estrutura de grade (62), incluindo, mas não limitado a locais adjacentes ao bordo de ataque (24), ao bordo de fuga (26) ou a qualquer outro local de ligação.

[058] Em outras formas de realização, a(s) estrutura(s) de alinhamento (73) pode(m) corresponder a recursos de alinhamento de suporte (por exemplo, para estrutura de suporte (52)), recursos de alinhamento de junta de pá, recursos de alinhamento de painel (75) ou qualquer outro recurso de alinhamento adequado. Mais especificamente, como mostrado na Figura 28, os recursos de alinhamento de painel (75) podem incluir um recurso de alinhamento macho (77) ou um recurso de alinhamento fêmea (79) que se encaixa com um recurso de alinhamento macho (77) ou um recurso de alinhamento fêmea (79) de um painel de pá de rotor adjacente (21).

[059] Além disso, como mostrado na Figura 29, o(s) recurso(s) adicional(ais) (63) podem incluir pelo menos um recurso auxiliar (81) do painel de pá de rotor (21). Por exemplo, em uma forma de realização, os recursos auxiliares (81) podem incluir uma caixa de equilíbrio (67) da pá de rotor (16).

Em tais formas de realização, a etapa de imprimir o(s) recurso(s) adicional(ais) (63) na(s) estrutura(s) de grade (62) pode incluir encerrar pelo menos uma parte da estrutura de grade (62) para formar a caixa de equilíbrio (63) nela.

[060] Além disso, a etapa de imprimir o(s) recurso(s) adicional (ais) (63) na(s) estrutura(s) de grade (62) também pode incluir o fechamento de uma área entre os elementos de nervura (64) para envolver a referida área. Em geral, as tecnologias de impressão 3D tendem a imprimir camadas no topo das camadas, no entanto, a presente invenção também abrange a impressão de uma camada no topo do ar usando certos polímeros tipicamente amorfos, por exemplo, acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS). Em tais formas de realização, o revestimento pode ser impresso através de uma distância limitada sem suporte por baixo. Embora essas estruturas possam experimentar algum grau de inclinação ou queda, as estruturas permitem a impressão de uma estrutura de superfície para cobrir os elementos de nervura (64), além de fornecer rigidez adicional à estrutura de grade (62).

[061] Em formas de realização adicionais, o(s) recurso(s) auxiliar(es) (81) podem incluir alojamentos (87), bolsos, suportes ou invólucros, por exemplo, para um dispositivo aerodinâmico ativo, um sistema de amortecimento de atrito ou um sistema de controle de carga, canalização (89), canais ou passagens, por exemplo para sistemas de degelo, uma ou mais válvulas, um suporte (91), tubulação ou canal em torno de um local de orifício dos revestimentos externos reforçados com fibra, um sistema de sensor com um ou mais sensores (103), um ou mais elementos de aquecimento (105) ou fios (105), hastes, condutores ou qualquer outro recurso impresso. Em uma forma de realização, por exemplo, os suportes para o sistema de amortecimento de atrito podem incluir elementos de interface deslizantes e/ou estruturas de travamento livres. Por exemplo, em uma forma de realização, a estrutura de grade impressa em 3D (62) oferece a oportunidade de imprimir facilmente canais nela para fornecer ar aquecido a partir de fonte(s) de calor na raiz da pá ou cubo para ter um efeito de degelo ou impedir a formação de gelo.

Tais canais permitem o contato do ar diretamente com os revestimentos externos (56) para melhorar o desempenho da transferência de calor.

[062] Em formas de realização particulares, o sistema de sensor pode ser incorporado na(s) estrutura(s) de grade (62) e/ou nos revestimentos externos (56) durante o processo de fabricação. Por exemplo, em uma forma de realização, o sistema de sensor pode ser um sistema de medição de pressão de superfície disposto com a estrutura de grade (62) e/ ou diretamente incorporado nos revestimentos (56). Como tal, a estrutura impressa e/ os revestimentos (56) são fabricadas para incluir a série de tubulação/canais necessários para instalar facilmente o sistema de sensores. Além disso, a estrutura impressa e/ou os revestimentos (56) também podem fornecer uma série de orifícios no mesmo para receber conexões do sistema. Assim, o processo de fabricação é simplificado imprimindo várias estruturas na estrutura de grade (62) e/ou nos revestimentos (56) para alojar os sensores, atuar como a porta de pressão estática e/ou atuar como a tubulação que corre diretamente para o revestimento da pá externo. Tais sistemas também podem permitir o uso de torneiras de pressão para controle de circuito fechado da turbina eólica (10).

[063] Em ainda outras formas de realização, o molde (58) pode incluir certas marcas (como uma marca positiva) que são configuradas para criar uma pequena covinha no revestimento durante a fabricação. Tais marcas permitem a fácil usinagem dos orifícios no local exato necessário para os sensores associados. Além disso, sistemas de sensores adicionais podem ser incorporados nas estruturas de grade e/ ou nas camadas externa do revestimento (56) para fornecer medições aerodinâmicas ou acústicas, de modo a permitir controle de circuito fechado ou medições de protótipos.

[064] Além disso, os elementos de aquecimento (105) aqui descritos podem ser elementos de aquecimento montados na superfície nivelada distribuídos ao redor do bordo de ataque da pá. Tais elementos de aquecimento (105) permitem a determinação do ângulo de ataque na pá, correlacionando a temperatura/ transferência de calor por convecção com a velocidade de fluxo e o ponto de estagnação. Essas informações são úteis para o controle de turbinas e podem simplificar o processo de medição. Deve ser entendido que esses elementos de aquecimento (105) também podem ser incorporados nas camadas externa de revestimento (56) de maneiras adicionais e não precisam ser montadas niveladas nela.

[065] Referindo-se novamente à Figura 25, o método de acordo com a presente invenção pode incluir a colocação de um material de enchimento (98) entre um ou mais dos elementos de nervura (64). Por exemplo, em certas formas de realização, o material de enchimento (98) aqui descrito pode ser construído de quaisquer materiais adequados, incluindo, mas não limitado a espuma de baixa densidade, cortiça, compostos, madeira de balsa, compósitos ou similares. Os materiais de espuma de baixa densidade adequados podem incluir, mas não estão limitados a espumas de poliestireno (por exemplo, espumas de poliestireno expandido), espumas de poliuretano (por exemplo, espuma de células fechadas de poliuretano), espumas de polietileno tereftalato (PET), outras borrachas de espuma/ espumas à base de resina e várias outras espumas de células abertas e de células fechadas. Em tais formas de realização, o método (100) também pode incluir a impressão de uma superfície superior sobre o material de enchimento (98), o que elimina o efeito de inclinação ou flacidez descrito acima.

[066] Referindo-se novamente à Figura 28, o método também pode incluir a impressão de um ou mais recursos (93) nos revestimentos externos (56), por exemplo, nos bordos de fuga e/ou de ataque dos painéis da pá de rotor (21). Por exemplo, como mostrado na Figura 28, o método pode incluir a impressão de pelo menos um recurso de proteção contra raios (93) em pelo menos um dentre o um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56). Em tais formas de realização, o recurso de proteção contra raios (93) pode incluir uma aleta de resfriamento ou um recurso de bordo de fuga tendo menos conteúdo de fibra do que os revestimentos externos reforçados com fibra (56). Mais especificamente, as aletas de resfriamento podem ser impressas diretamente na superfície interna dos revestimentos externos (56) e opcionalmente carregadas com enchimentos para melhorar a condutividade térmica, mas abaixo de um certo limiar para tratar de preocupações relacionadas a raios. Como tal, as aletas de resfriamento são configuradas para melhorar a transferência térmica a partir do fluxo de ar aquecido para os revestimentos externos (56). Em formas de realização adicionais, esses recursos (93) podem ser configurados para se sobrepor, por exemplo, tais como bordas entrelaçadas ou encaixes de pressão.

[067] Com referência agora às Figuras 30 e 31, o(s) recurso(s) adicional(ais) (63) pode(m) incluir uma folga adesiva (95) ou espaçamento, que pode ser incorporada nas estruturas de grade (62). Esses espaçamentos (95) fornecem uma folga especificada entre dois componentes quando ligados entre si, para minimizar o aperto do adesivo. Como tal, os espaçamentos (95) fornecem a folga de ligação desejada para uma resistência de ligação otimizada com base no adesivo utilizado.

[068] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto realize a invenção, incluindo a construção e utilização de quaisquer dispositivos ou sistemas e a execução de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Pretende-se que estes outros exemplos estejam dentro do escopo das reivindicações se incluírem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações ou se incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO PARA FABRICAR UM PAINEL DE PÁ DE ROTOR, o método caracterizado por compreender: colocar um molde (58) do painel de pá de rotor em relação a um dispositivo de controle numérico computadorizado (CNC) (60); formar um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56) no molde (58); e, imprimir e depositar, através de um dispositivo de CNC (60), uma pluralidade de membros de nervura (64) que formam pelo menos uma estrutura de grade de reforço tridimensional (3-D) (62) sobre uma superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56), antes que o um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56) resfriem da formação, a estrutura de grade (62) se ligando a um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56) à medida que a estrutura de grade (62) está sendo depositada, em que a pluralidade de membros de nervura (64) compreende, pelo menos, um primeiro membro de nervura (66) que se estende em uma primeira direção e um segundo membro de nervura (68) que se estende em uma segunda direção diferente, pelo menos um do primeiro membro de nervura (66) ou do segundo membro de nervura (68) possuindo uma altura variável ao longo do seu comprimento.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda colocar o molde (58) do painel de pá de rotor em um leito do dispositivo de CNC (60).

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo segundo membro de nervura (68) ter uma altura uniforme ao longo de um comprimento do mesmo.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações

1 a 3, caracterizado pela pluralidade de membros de nervura (64) compreender ainda um primeiro conjunto de membros de nervura (64) compreendendo o primeiro membro de nervura (66) e um segundo conjunto de membros de nervura (64) compreendendo o segundo membro de nervura (68).

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender ainda a impressão de uma altura máxima (80) de pelo menos um no primeiro conjunto de membros de nervura (64) ou no segundo conjunto de membros de nervura (64) em um local substancialmente em um momento de flexão máximo ocorre no painel de pá de rotor.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender ainda imprimir pelo menos uma extremidade cônica (86, 88) para cada um dos primeiros conjuntos de membros de nervura (64) a partir da altura máxima, a pelo menos uma extremidade cônica (86, 88) afilando-se para a superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56).

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por uma inclinação da extremidade cônica (86, 88) ser linear.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por uma inclinação da extremidade cônica (86, 88) ser não linear.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo segundo conjunto de membros de nervura (64) ter, cada um, uma altura diferente dos membros de nervura (64) adjacentes no segundo conjunto de membros de nervura (64).

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender ainda a impressão de cada um dos segundos conjuntos de membros de nervura (64), de forma que os membros de nervura (64) com maiores alturas estejam localizados em direção ao local central (82).

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações

1 a 10, caracterizado pela primeira direção ser, de forma geral, paralela a uma direção em sentido de corda da pá de rotor e a segunda direção ser, de forma geral, paralela a uma direção em sentido de extensão da pá de rotor.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por compreender ainda a impressão de um contorno da estrutura de grade (62) e a construção da estrutura de grade (62) com a pluralidade de membros de nervura (64) em várias passagens.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender ainda imprimir uma pluralidade de estruturas de grade (62) na superfície interna de um ou mais revestimentos externos reforçados com fibra (56), estando a pluralidade de estruturas de grade (62) em locais separados e distintos na superfície interna.

14. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por compreender ainda imprimir a pluralidade de membros de nervura (64) usando pelo menos uma direção de nervura variável, ângulo de nervura variável, materiais variáveis, espessuras variáveis ou formas de seção transversal variáveis.