ES2322638A1 - Procedimiento de fabricacion de palas de aerogenerador con material termoplastico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de palas de aerogenerador con material termoplástico, que consiste en fabricar previamente unos largueros (2) o una viga cajón, para el armazón interior de la pala, disponiéndose dichos elementos entre las partes de un mandrino (4) dividido, el cual se dispone en una sustentación giratoria (6), para aplicar sobre él, mediante un cabezal (7) aplicador de cinta de fibra (8), un encintado envolvente, sobre el cual se incorporan los núcleos de las partes estructurales tipo sándwich de la formación de la pala y un encintado longitudinal en las partes estructurales de laminado monolítico, mientras que en los bordes de entrada y de salida del perfil se incorporan unos refuerzos, para aplicar finalmente, mediante el cabezal (7), un encintado envolvente sobre todo el conjunto.
Description
Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico.
La presente invención está relacionada con la
realización constructiva de las palas de aerogenerador, proponiendo
un procedimiento de fabricación con material termoplástico, con el
cual se agiliza el proceso y se reduce la cantidad de defectos en
la fabricación de las palas, siendo éstas reciclables.
Las palas de aerogenerador de gran tamaño
constan generalmente de dos semicáscaras que se unen entre sí con
adhesivo en los bordes de ataque y de salida del perfil de la pala,
soportándose interiormente esa estructura mediante un número de
largueros, generalmente dos, que se disponen entre las
semicáscaras, o por medio de una viga cajón en las mismas
condiciones, con unión de dichos elementos internos a las
semicáscaras exteriores igualmente por pegado mediante
adhesivo.
La fabricación de los elementos estructurales de
las palas se realiza con un laminado monolítico, formado por capas
de fibra de vidrio y/o fibra de carbono, impregnadas con resina.
Otras partes de las palas se constituyen con una estructura tipo
sándwich, formado por un núcleo envuelto entre capas de laminado
de material compuesto. El proceso consiste generalmente en la
colocación de las capas de fibra, y de los núcleos en el caso de
las estructuras tipo sándwich, sobre un molde hembra, mediante una
operativa esencialmente manual que hace que la cadencia de
producción sea baja y la calidad variable.
Las capas de fibra que se utilizan en la
fabricación de las palas de aerogenerador pueden estar previamente
impregnadas de resina, o se pueden colocar en seco y luego realizar
la impregnación con resina. Ambos procesos requieren la utilización
de vacío para que se produzca la compactación del laminado y, en el
caso de que las fibras se encuentren secas, también para que se dé
una buena impregnación.
Las resinas que se utilizan normalmente son de
tipo termoestable (epoxi, poliéster, viniléster). Este tipo de
resinas tiene que ser sometido a un proceso de curado, en el que
desde un estado inicialmente líquido la resina va endureciendo
mediante una reacción química irreversible, hasta que se obtiene el
producto final.
Por su propia naturaleza, este tipo de procesos
presenta una serie de inconvenientes, entre los que cabe
destacar:
- Al tratarse de una reacción irreversible las
piezas no son reprocesables, y la única manera de reciclarlas es
por incineración o pirólisis.
- La reacción es además exotérmica, por lo que
en el caso de piezas de gran espesor se puede producir una
degradación del material si la reacción es muy rápida y no existe
una buena difusión del calor.
- En el caso de resinas epoxi o viniléster se
requiere la aplicación de un ciclo de temperatura para obtener un
endurecimiento completo y buenas propiedades finales, lo cual da
lugar a un proceso de larga duración.
- Durante el proceso de compactación y curado se
produce un movimiento de las capas de fibra que puede dar lugar a
defectos como arrugas, desalineamientos de las fibras, huecos,
etc., pudiendo quedar burbujas de aire atrapadas y producirse
distribuciones no uniformes de fibra/resina, e incluso áreas
secas.
Para paliar esos inconvenientes una solución es
la utilización de resinas termoplásticas, aplicando un proceso que
consiste en calentar el material termoplástico hasta su temperatura
de fusión, para conformar la pieza y posteriormente enfriarla en la
configuración deseada.
Este proceso no implica ninguna reacción química
y es mucho más rápido que el proceso de curado, siendo además un
proceso reversible, por lo que las piezas fabricadas son
reprocesables y reciclables. La utilización de resinas
termoplásticas tiene sin embargo el inconveniente de su alta
temperatura de procesado y viscosidad.
Se han realizado también palas de aerogenerador
y secciones de palas de material preimpregnado con matriz
termoplástica, mediante un proceso similar al de las resinas
termoestables, en el cual se colocan las capas del material
preimpregnado sobre un molde hembra, aplicándose presión y
temperatura para que se produzca una buena compactación, y
posteriormente se enfría. El proceso en este caso es más corto que
en el caso de las resinas termoestables, pero tiene el
inconveniente de que las temperaturas de proceso son muy altas, lo
que hace que aumente el costo del utillaje, debido a que tiene que
soportar durante un tiempo considerable altas temperaturas. Otra
desventaja es la dificultad en obtener en ocasiones una buena
compactación debido a la viscosidad de la resina.
También se han realizado pequeñas palas y
secciones de palas mediante infusión de termoplásticos, aplicando
un proceso que consiste en realizar la infusión con un monómero
poco viscoso y que por lo tanto puede impregnar bien las fibras, de
manera que durante el proceso el monómero reacciona y forma el
polímero termoplástico final. Este método tiene a su vez el
inconveniente de que las temperaturas de procesado son muy altas y
se tienen que mantener durante un cierto tiempo para que se
produzca la reacción, tratándose además de una reacción exotérmica
que hay que controlar como en el caso de las resinas termoestables.
Presenta también las dificultades asociadas al proceso de infusión,
con riesgo de zonas secas o distribuciones no uniformes de
fibra/resina.
Otra ventaja que tiene la utilización de resinas
termoplásticas es la posibilidad de pegar las partes componentes
de la pala sin necesidad de adhesivo, calentando la zona de
contacto hasta la temperatura de fusión, como en un proceso de
soldadura. Con ello se salvan los inconvenientes del pegado
mediante adhesivo de piezas grandes, que es generalmente largo,
costoso y complicado, además de exigir mucho cuidado para evitar
defectos por porosidad, falta de adhesivo, etc. Este tipo de
defectos suele dar lugar a zonas mecánicamente débiles, donde es
habitual la iniciación de grietas.
Otro inconveniente que tiene la unión mediante
adhesivo de las partes componentes de las palas, es que existen
líneas de pegado en zonas donde la pala recibe solicitaciones
mecánicas fuertes (bordes de ataque y de salida). Además es
precisamente en esas zonas donde es fundamental preservar la forma
aerodinámica, ya que las alteraciones de la superficie pueden dar
lugar a pérdidas de producción y ruido.
Por otro lado en las zonas de pegado es difícil
obtener una buena calidad y tolerancia superficial. Por esto y por
todo lo anteriormente explicado, se intenta evitar la utilización
de adhesivo, realizando el proceso de infusión de todo el conjunto
estructural de la pala de una sola vez, integrando en una única
pieza el o los largueros interiores y la cáscara exterior. En este
tipo de soluciones se utilizan resinas termoestables que se deben
compactar mediante vacío. Dada la especial configuración de dichas
soluciones el proceso de compactación es muy complicado, suponiendo
un problema su fabricación.
De acuerdo con la invención se propone un
procedimiento de fabricación de las palas de aerogenerador o
secciones de dichas palas, con material termoplástico, mediante el
cual se desarrolla un método de ejecución automatizado y sin la
utilización de adhesivo en las uniones de las partes
componentes.
El material termoplástico utilizado en la
invención está compuesto por cintas de fibra impregnadas en resina
termoplástica.
Este procedimiento objeto de la invención
consiste en fabricar previamente los elementos (largueros o una
viga cajón) destinados para el interior del conjunto estructural de
la pala, para disponer dichos elementos entre las partes de un
mandrino de sujeción. Este mandrino está dividido en varias partes,
con la finalidad de que sea totalmente extraíble una vez
finalizado el proceso. El mandrino junto con los largueros forma un
conjunto compacto que rota sobre su eje longitudinal, aplicándose
mediante un cabezal el encintado alrededor del mandrino. Este
cabezal aporta calor y presión, de manera que el material del
encintado se suelda con el o los largueros o con la viga cajón
dispuestos en el mandrino. Tras ello se incorporan en las caras del
conjunto los núcleos en las partes de estructura tipo sándwich y
las cintas longitudinales en las zonas de laminado monolítico,
mientras que en los bordes de entrada y de salida del perfil se
incorporan los refuerzos. Por último, se aplica otro encintado
sobre todo el conjunto formando así la parte externa de la piel de
la pala.
Se logra así un procedimiento de fabricación que
se desarrolla de un modo automático mediante el movimiento
rotatorio del mandrino soporte, en combinación con la actuación del
cabezal aplicador de cintas de fibra impregnada en resina
termoplástica. Como consecuencia de dicho procedimiento la
estructura de la cáscara exterior queda unida sobre los elementos
estructurales del interior al aplicar las cintas que forman la
cáscara exterior. Dicha cáscara resulta además constituida de una
sola pieza en su contorno, sin que existan por lo tanto uniones de
pegado con adhesivo en ninguna parte del conjunto estructural que
se fabrica.
Este procedimiento de fabricación aporta por lo
tanto las ventajas siguientes:
- Al desarrollarse mediante un proceso
automatizado se pueden obtener piezas de gran calidad y con una
cadencia de producción elevada.
- El material se aplica según una cinta
unidireccional que se orienta en la dirección deseada, permitiendo
una alta precisión de la colocación, orientación y corte de las
fibras, por lo que se pueden obtener piezas muy ligeras con buenas
propiedades mecánicas.
- La consolidación y compactación del laminado
de material termoplástico se produce a medida que se aplica el
encintado de las capas del mismo, con lo que se evitan los ciclos
de curado y operaciones posteriores de compactación, que además de
aumentar los costes de producción pueden ser una fuente de
defectos.
- La utilización de materiales termoplásticos
hace que las palas fabricadas sean reciclables.
- Al no existir líneas de pegado se evitan zonas
de posible debilidad mecánica o mala calidad superficial, que
además alargan y encarecen el proceso.
Por todo ello, dicho procedimiento objeto de la
invención resulta de unas características ciertamente ventajosas,
adquiriendo vida propia y carácter preferente para la aplicación a
la que se halla destinado.
La figura 1 muestra de manera esquemática la
sección convencional de una pala de aerogenerador, con soporte
interior de la cáscara externa mediante largueros.
La figura 2 es una sección esquemática de una
pala de aerogenerador con soporte interior de la cáscara externa
mediante una viga cajón.
La figura 3 es una sección a mayor escala de una
pala de aerogenerador, apreciándose la formación estructural de
las distintas partes.
La figura 4 muestra la sección de un mandrino
dispuesto para la fabricación de una pala de aerogenerador con
largueros, según la invención.
La figura 5 muestra la sección de un mandrino
dispuesto para la fabricación de una pala de aerogenerador con una
viga cajón interior, según la invención.
La figura 6 es un esquema de la aplicación de un
encintado de la piel sobre el mandrino de fabricación de una pala,
según la invención.
La figura 7 es un esquema de la aplicación del
encintado de las cintas de fibra impregnada en resina termoplástica
en el procedimiento de la invención.
La figura 8 muestra una pala en la fase de
fabricación que corresponde a la incorporación de los núcleos en
las partes de estructura tipo sándwich y del encintado longitudinal
en las zonas de laminado monolítico, en una de las caras, así como
los cubrimientos de refuerzo sobre el borde de ataque y sobre el
borde de salida.
El objeto de la invención se refiere a un
procedimiento para la fabricación de palas de aerogenerador o
secciones de las mismas, utilizando material termoplástico
compuesto por fibras impregnadas de resina termoplástica para la
formación estructural, con unión por soldadura entre las partes
componentes, sin uniones pegadas.
Convencionalmente una pala de aerogenerador se
estructura con una cáscara exterior (1), la cual se soporta en la
parte interior mediante un número de largueros estructurales (2),
como representa la figura 1, o con una viga cajón (3), como
representa la figura 2, estableciéndose las uniones entre las partes
componentes mediante pegado con adhesivo.
Según una realización, también convencional, la
cáscara exterior (1) se forma, como se observa en la figura 3, con
partes de estructura monolítica (1.1) en las zonas centrales de las
caras y en los bordes de entrada y salida del perfil, que son las
que mayor resistencia requieren; mientras que las zonas restantes,
así como los largueros interiores (2) en su caso, se forman con una
estructura tipo sándwich (1.2).
De acuerdo con la invención, los materiales de
las zonas de laminado monolítico (1.1) y las pieles interior y
exterior de las zonas de estructura tipo sándwich (1.2), se forman
mediante encintado con cintas de fibra de vidrio, carbono, basalto
o similar, y matriz termoplástica, mientras que el núcleo de las
zonas de estructura tipo sándwich (1.2) es de espuma, nido de abeja
o madera de balsa.
El procedimiento de fabricación de una pala,
según la invención, comprende la fabricación previa del o de los
largueros (2), o de la viga cajón (3), para la estructuración
interna. En el caso de ser una estructura con uno o dos largueros
(2), al tener éstos forma sencilla y no ser muy grandes, se pueden
fabricar tanto de forma automática como por medio de procesos
convencionales, como consolidación por vacío, termoconformado, etc.
En el caso de viga cajón (3) la fabricación se realiza de forma
automática.
Una vez fabricados dichos elementos destinados
para el interior de la estructura de la pala, se incorporan en
montaje entre las partes de un mandrino (4), que puede ser de
composite o metálico. Para facilitar la extracción del mandrino
(4), éste se encuentra dividido en varias partes que se amarran con
barras guías o pasadores (5), quedando intercalados el o los
largueros (2), como se observa en la figura 4, o la viga cajón (3),
como se observa en la figura 5, entre las partes unidas.
El mandrino (4) junto con los largueros (2)
forma un conjunto compacto, el cual se coloca sobre una
sustentación (6) que rota sobre su eje longitudinal. Sobre este
conjunto se aplica mediante un cabezal (7) la cinta (8) de material
termoplástico alrededor del mandrino (4), como representa la figura
6. Dicho encintado se realiza con aportación de calor y presión,
de manera que el material del encintado se suelda con los largueros
(2) o la viga cajón (3) dispuestos en el mandrino (4).
El cabezal (7) posee un rodillo (9) de
compactación mediante el cual presiona la cinta (8) del material
que se aplica, y un sistema de calentamiento (10), que puede ser
por gas inerte a alta temperatura, ultrasonidos, láser, infrarrojos,
microondas, inducción, llama, etc. Mediante dicho sistema se
calienta la zona de aplicación de la cinta (8), como representa la
figura 7, de forma que en el propio encintado se produce la
consolidación de la cinta (8) que se aplica sobre la capa (11) del
encintado anterior, sin necesidad de realizar compactaciones
posteriores.
De la misma forma, mediante la aplicación de
calor en las zonas de contacto con los largueros (2) o con la viga
cajón (3), al aplicar la primera capa del encintado, esta capa se
suelda a dichos largueros (2) o a la viga cajón (3), quedando
establecida la unión sobre los mismos mediante el propio proceso
del encintado de formación de la cáscara exterior (1). Para
facilitar dicha soldadura, en las zonas de contacto del encintado
de formación de la cáscara (1), con los largueros (2) o con la viga
cajón (3), se puede incorporar una película delgada adicional de
material termoplástico.
Una vez cubierto el mandrino (4) con las capas
(11) necesarias de encintado, que resultan soldadas con los
largueros (2) o con la viga cajón (3) según lo anteriormente
descrito, se para la rotación del mandrino (4). Tal como se observa
en la figura 8, se procede entonces a la colocación de los núcleos
(12) en las zonas de estructura tipo sándwich (1.2) de una cara de
la pala en formación, calentando dichas zonas con el cabezal (7),
de manera que se produzca el pegado de los mencionados núcleos
(12). En este caso se puede aplicar igualmente una película fina de
material termoplástico, para facilitar el pegado.
Seguidamente se procede a aplicar un encintado
longitudinal (13) en la zona central de dicha cara de la pala,
moviendo el cabezal (7) en sentido longitudinal. Para esta
aplicación se puede utilizar un cabezal más ancho, permitiendo así
aumentar la velocidad del proceso.
A continuación se aplican unos refuerzos (14 y
15) sobre el borde de ataque y sobre el borde de salida del perfil
de la pala, haciendo girar para ello el mandrino (4) con un
movimiento que permita la colocación de dichos refuerzos (14 y
15).
En otra realización alternativa los refuerzos
(14 y 15) del borde de ataque y del borde de salida del perfil de
la pala, se forman mediante colocación manual de las cintas y su
posterior compactación automática mediante el cabezal (7).
En el caso del borde de ataque, cuando los
refuerzos correspondientes (14 y 15) sean muy finos, éstos se
pueden determinar mediante una pieza prefabricada que se fija por
soldadura termoplástica sobre la zona correspondiente de la
formación de la pala.
Después se gira el mandrino (4) 180° y se
procede a colocar los núcleos (12) y el encintado longitudinal
central (13) en la otra cara de la pala, de igual modo que sobre la
primera cara. Por último, haciendo rotar el mandrino (4) sobre la
sustentación (6), se aplica con el cabezal (7) un encintado
envolvente sobre el conjunto, determinando la capa exterior de la
formación de la pala. Para facilitar la adhesión de una pintura de
acabado sobre la última capa exterior de la pala es posible a su
vez aplicar una película de material termoplástico.
Claims (8)
1. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, para la formación de
palas o secciones de palas cuya estructura comprende una cáscara
exterior que se soporta interiormente mediante largueros o con una
viga cajón, poseyendo dicha cáscara exterior partes estructurales
de laminado monolítico y partes estructurales de tipo sándwich,
caracterizado porque los largueros (2) para el interior se
fabrican previamente con compuesto de matriz termoplástica de forma
automática o de una manera convencional, y en su caso la viga cajón
(3) se fabrica también previamente de forma automática con el
mismo tipo de material, disponiéndose dichos largueros (2) o la
viga cajón (3) intercalados entre las partes de un mandrino (4)
dividido que se amarran entre sí, para la colocación de dicho
mandrino (4) en una sustentación giratoria (6), enfrente de un
cabezal (7) aplicador de una cinta (8) de fibras impregnadas en
resina termoplástica, mediante el cual se aplica un número de capas
(11) de encintado envolvente sobre el mandrino (4), incorporándose
sobre dichas capas (11) de encintado los núcleos (12) de las partes
de estructura tipo sándwich y un encintado longitudinal (13) sobre
las partes de laminado monolítico, en las caras del perfil de la
pala en formación, mientras que sobre el borde de entrada y sobre
el borde de salida de dicho perfil de la pala se incorporan unos
refuerzos (14 y 15), aplicándose finalmente sobre todo el conjunto,
mediante el cabezal (7), un encintado envolvente que determina la
superficie externa de la cáscara (1) del conjunto estructural.
2. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque el encintado mediante
el cabezal (7) para formar la cáscara (1) del conjunto estructural,
se realiza con presión mediante un rodillo (9) de compactación y
con aplicación de calor en la zona de aplicación mediante un
sistema de calentamiento (10), obteniéndose directamente la
consolidación de la cinta (8) que se aplica, sobre la capa anterior
(11) del encintado, y la unión en soldadura de la primera capa del
encintado, sobre los largueros (2) o la viga cajón (3) del
interior del conjunto estructural.
3. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con las
reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque en
las zonas de contacto del encintado envolvente del mandrino (4),
con los largueros (2) o la viga cajón (3), se incorpora una
película adicional de material termoplástico, para facilitar la
soldadura.
4. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque en las zonas de
estructura tipo sándwich se incorpora una película de material
termoplástico, antes de la colocación de los núcleos (12), para
facilitar el pegado de dichos núcleos (12).
5. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque en la superficie
externa de la cáscara estructural (1) se aplica una película de
material termoplástico, para facilitar la adhesión de una pintura de
acabado.
6. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque los refuerzos (14 y 15)
del borde de ataque y del borde de salida del perfil de la pala, se
forman por encintado mediante el cabezal (7).
7. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque los refuerzos (14 y 15)
del borde de ataque y del borde de salida del perfil de la pala, se
forman mediante colocación manual de las cintas y su posterior
compactación automática mediante el cabezal (7).
8. Procedimiento de fabricación de palas de
aerogenerador con material termoplástico, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque el refuerzo (15) del
borde de ataque y el refuerzo (14) del borde de salida del perfil
de la pala se determina, cuando es muy fino, mediante una pieza
prefabricada que se fija por unión termoplástica.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200702584A ES2322638B1 (es) | 2007-10-03 | 2007-10-03 | Procedimiento de fabricacion de palas de aerogenerador con material termoplastico. |
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| ES200702584A ES2322638B1 (es) | 2007-10-03 | 2007-10-03 | Procedimiento de fabricacion de palas de aerogenerador con material termoplastico. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2322638A1 true ES2322638A1 (es) | 2009-06-23 |
| ES2322638B1 ES2322638B1 (es) | 2010-02-15 |
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ID=40740238
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|---|---|---|---|
| ES200702584A Active ES2322638B1 (es) | 2007-10-03 | 2007-10-03 | Procedimiento de fabricacion de palas de aerogenerador con material termoplastico. |
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| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2322638B1 (es) |
Cited By (1)
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Ref document number: 2322638B1 Country of ref document: ES |