ES2353325A1 - Rigidizacion de la raiz de pala de un aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Rigidización de la raíz (3) de pala de un aerogenerador que incorpora un elemento rígido (1) al que se cohesionan unos insertos (2) siendo el elemento rígido la interfaz de unión entre la pala y el aerogenerador.
Description
Rigidización de la raíz de pala de un
aerogenerador.
La presente invención está relacionada con la
fabricación de la raíz de la pala de un aerogenerador y más
concretamente con su rigidización proponiendo una solución que
incorpora un elemento rígido cohesionado a los insertos formando un
conjunto que se une al aerogenerador y que aporta una mayor rigidez
estructural a la vez que mejora notablemente las tolerancias de
fabricación de la interfaz de pala, asegura la repetitividad del
proceso y facilita las tareas de montaje de la pala.
Los componentes estructurales de las palas de
los aerogeneradores han de estar diseñados para soportar las
tensiones derivadas de sus condiciones de trabajo continuo, siendo
deseable que tengan el menor peso posible. Es por esto que se vienen
utilizando materiales compuestos para su fabricación.
Generalmente la pala de un aerogenerador está
constituida por una viga estructural, una concha superior o extradós
y una concha inferior o intradós, estando la viga estructural
formada por un primer cuerpo ó cuerpo-raíz y un
segundo cuerpo o cuerpo-tronco.
El cuerpo-raíz está formado por
una primera parte de forma cilíndrica, una segunda parte de
transición y una tercera parte con forma de cajón, mientras que el
cuerpo-tronco tiene forma de cajón con una sección
decreciente hacia la punta de la pala, teniendo que soportar su cara
superior, que está en contacto con el extradós, y su cara inferior,
que está en contacto con el intradós, tensiones superiores a sus
caras laterales durante la vida útil de la pala.
La fabricación de cada una de estas piezas de la
pala del aerogenerador se realiza mediante moldeo y se basa en la
utilización de mantas de fibra, que pueden estar impregnadas en
resina, que se enrollan sobre un mandril o molde, obteniéndose las
diferentes piezas de la pala que tras el curado serán ensambladas
entre sí.
Para la fabricación de la raíz de la pala y en
conexión con el proceso de moldeo, se disponen un número de
casquillos o insertos en la raíz de la pala que posteriormente se
utilizarán para unir la pala con el buje del aerogenerador mediante
tornillos o pernos.
Para poder garantizar el montaje de la pala en
el aerogenerador es necesario que los casquillos estén posicionados
en concordancia con los puntos de conexión al aerogenerador,
debiendo ser además perpendiculares al plano de interfaz entre pala
y aerogenerador.
Adicionalmente, los extremos libres de los
casquillos deben estar ubicados en un mismo plano para garantizar
una correcta distribución de la carga entre los diferentes tornillos
o pernos de unión pala-aerogenerador y, en
consecuencia, una óptima transmisión de los esfuerzos.
En el caso de que los extremos de los casquillos
no fueran coplanarios, algunos de estos casquillos no estarían en
contacto con la interfaz del aerogenerador una vez ensamblada la
pala. La consecuencia directa de ello es una tasa de rigidez
inadecuada en la unión. Es decir: la relación entre la carga que se
transmite por el tornillo y la carga que se transmite por la brida
no es la esperada; lo cual afecta a la vida a fatiga de los
tornillos o pernos de unión de la pala con el aerogenerador.
A pesar de que se conocen herramientas para
controlar la posición de los casquillos durante el proceso de
fabricación de la pala del aerogenerador, durante el curado de la
fibra, la pala se deforma por falta de rigidez, ovalándose dentro
del plano de interfaz e incluso retorciéndose fuera de dicho plano.
Dichas deformaciones se producen tanto por efecto del peso propio de
la pala, como por las contracciones de la pala intrínsecas al
proceso de curado de la fibra. Debido a estas deformaciones, es
prácticamente imposible predecir el grado de desviación que llegarán
a presentar los casquillos en el ensamblaje de la pala.
El PCT WO 2007/010064 describe un método de
fabricación de la raíz de una pala mediante la compilación de fibras
y resinas por vacío, para su posterior curado y desmoldeo. La cara
de la pala adosable al buje es taladrada y en los agujeros se pegan
unos insertos con una máquina de precisión. El problema que se
plantea con este método de fabricación es que en el curado la pala
puede ovalarse y en consecuencia los agujeros determinarán una
desviación con respecto a su posición teórica. Este hecho exige una
mayor cantidad de fibra laminada en la base de la pala para dotar de
un mayor grosor en la zona de taladrado de los agujeros en caso de
deformación.
Por otro lado, se conocen diferentes soluciones
tanto de uniones entre la pala y el buje del aerogenerador como de
soluciones de fabricación de la parte de la raíz de la pala que
intentan solucionar esta problemática, que se detallan a
continuación;
La Patente US 4 915 590 describe un método de
unión entre la raíz de la pala y el buje de un aerogenerador en el
que la pared de la raíz de la pala está provista de múltiples
insertos en forma de varilla fijados por deposición de mantas de
fibra, estando los insertos constituidos en uno de sus finales,
concretamente en el correspondiente a la cara final de la raíz de la
pala, por un casquillo roscado para el acoplamiento de la pala
mediante tornillos al buje del aerogenerador. La fijación de las
varillas a la raíz de la pala resulta de una gran complicación,
produciéndose habitualmente arrugas que debilitan la zona de unión y
que pueden causar una delaminación debida a las fuertes cargas
dinámicas que debe soportar la unión, dadas las grandes dimensiones
que presentan las palas de los aerogeneradores actuales.
La Patente US 2005/0106029 describe un método
para fabricar elementos de material de fibra de composite para ser
insertados en yuxtaposición formando una corona circular en la raíz
de la pala de un aerogenerador, determinando en uno de sus finales
unos medios de sujeción para el acoplamiento entre la raíz de la
pala y el reborde metálico del buje del aerogenerador.
La Patente US 2007/122283 describe una raíz de
una pala de un aerogenerador que determina unos agujeros pasantes en
sentido transversal al eje longitudinal de la pala en los que se
insertan unos pasadores transversales provistos de unos agujeros
pasantes para la sujeción de la pala al reborde metálico del buje
mediante tornillos.
El PCT WO 2007/073735 describe un método de
fabricación de una pala con casquillos moldeados íntegramente en su
raíz para realizar una conexión directa o indirecta con el reborde
del buje del aerogenerador, mediante la utilización de un elemento
de nivelación de dichos casquillos que garantiza la plenitud de la
raíz de la pala.
El PCT WO 2006/070171 describe un método de
fabricación de los insertos de la raíz de la pala de un
aerogenerador que utiliza unos medios de guiado para alinear los
insertos entre sí y respecto del molde de la raíz de la pala, para
posteriormente moldear el conjunto mediante transferencia de resina
al vacío.
El PCT WO 01/42647 describe un aerogenerador
cuyo buje y palas se encuentran unidos mediante unos tornillos
insertados en unos agujeros practicados en la raíz de la pala del
aerogenerador. Los agujeros practicados en la raíz de la pala
debilitan su estructura y proporcionan una concentración de estrés,
por lo que se hace necesario dotar de una mayor robustez a esta
parte de la pala, lo que la hace más pesada y aumenta el estrés en
la unión.
El PCT WO 2004/110862 describe un método de
fabricación de la raíz de una pala de un aerogenerador de forma
aerodinámica para el acoplamiento de la pala al buje del
aerogenerador, determinando, dicha raíz de pala, unos casquillos
roscados insertados que determinan una primera porción y una porción
extensible de flexibilidad incremental en dirección al exterior de
la primera porción, para atornillar en ellos unos tornillos de
sujeción al buje, proporcionando una pala ligera de fuerza
elevada.
La Patente Europea EP 1 398 499 describe una
pala de aerogenerador que para su acoplamiento al buje determina en
su raíz unos huecos a modo de celdas en los que se insertan unos
pasadores transversales a los que se atornilla el reborde metálico
del buje, formando dos coronas circulares de sujeción.
La Patente US 5 660 527 describe un método y una
estructura para transferir las cargas en la unión entre la pala y el
buje de un aerogenerador. Dicha estructura comprende dos o más
anillos anulares en contacto con la superficie interna de la raíz
de la pala y con la superficie externa del husillo del buje que se
unen mediante adhesivos.
De acuerdo con la presente invención, se propone
la utilización de un elemento rígido que haga de vínculo entre los
insertos de pala y sirva a su vez de interfaz de unión con el
aerogenerador; evitando por un lado la deformación de la raíz de
pala, la cual puede dificultar las operaciones de ensamblaje de la
pala en el aerogenerador y garantizando por otro lado las
tolerancias geométricas de la interfaz de pala, las cuales afectan
directamente a la calidad de la unión atornillada
pala-buje o pala-rodamiento.
Los insertos se cohesionan al elemento rígido
pudiendo realizarse dicha cohesión mediante roscado, adhesivado,
zunchado o cualquier otra técnica, fijándose posteriormente dicho
elemento rígido, que a partir de ahora denominaremos chapón, con los
insertos al resto de la pala.
La fijación entre el conjunto
insertos-chapón y el resto de la pala se realiza
bien mediante el mecanizado de unos orificios en la raíz de pala, en
concordancia con la posición de los insertos, uniéndose el conjunto
insertos-chapón a la pala mediante adhesivo; o bien
laminando la fibra sobre el propio conjunto
insertos-chapón.
De esta forma, se evitan los posibles problemas
de montaje derivados de la falta de perpendicularidad de los
insertos con respecto al plano de interfaz
pala-aerogenerador y del posicionamiento de los
insertos en relación a los correspondientes puntos de unión al
aerogenerador; garantizándose además la planicidad del plano de
interfaz pala-aerogenerador, lo cual redunda en una
distribución óptima de la carga entre los diferentes tornillos o
pernos de la unión.
Por otro lado, la rigidez estructural que aporta
el conjunto inserto-chapón a la unión garantiza que
los insertos trabajen de forma cohesionada, distribuyendo las cargas
adecuadamente entre los tornillos o pernos de unión
pala-aerogenerador y asegurando que, en caso de que
alguno de los elementos de unión (tornillo, perno o inserto) pierda
su funcionalidad, las cargas que se transmitían a través de dicho
elemento sean redistribuidas y compartidas entre un mayor número de
elementos de unión que en las soluciones convencionales;
reduciéndose de este modo la posibilidad de un fallo en cadena de
los elementos de unión pala-aerogenerador.
La figura 1 muestra una perspectiva de la raíz
de una pala de aerogenerador provista de un
inserto-chapón según la invención.
La figura 2 muestra una sección transversal de
la raíz de una pala de aerogenerador provista de un conjunto
inserto-chapón, tomada según la línea de corte
VI-VI de la figura 1.
El ejemplo de realización representado en el
dibujo corresponde a una raíz (3) de pala de aerogenerador, de forma
tubular, que incorpora un chapón (1) con insertos (2) integrados
para su conexión con el rodamiento de la pala o el buje del
aerogenerador.
Tal y como se muestra en las figuras 1 y 2, el
chapón (1) provisto de insertos (2) objeto de la invención, queda
colocado en el extremo de la raíz (3) de pala del aerogenerador
formando una cara o superficie plana perpendicular al eje de giro de
la pala.
Según puede apreciarse en la figura 2, los
insertos (2) determinan un tramo en forma de sólido de revolución
hueco (2.1) añadiendo por el otro extremo un apéndice roscado (2.3)
para su conexión al chapón (1) provisto de agujeros roscados;
quedando los insertos (2) embebidos en el mismo sin sobresalir por
su cara libre (1.2).
Por otro lado, el inserto (2) incluye un tramo
interno (2.2) roscado que se protege mediante tapones (no
representados) hasta el momento del montaje.
El proceso de fabricación de la raíz (3) de pala
según la invención comienza con la colocación de los insertos (2)
mediante roscado, adhesivado, zunchado o cualquier otra técnica, en
el elemento rígido, chapón (1).
A continuación se procede a la fijación del
conjunto inserto-chapón a la fibra, para lo que se
pueden emplear dos procesos de fabricación diferentes en función de
si la pala ha sido o no laminada previamente;
a) Cuando la pala no ha sido previamente
laminada, se colocan entre los insertos una serie de elementos de
fibra ya curada o de algún otro material (pultrusiones), para
asegurar la transmisión de cargas entre la fibra y los casquillos, y
se lamina la pala a continuación sobre el conjunto
chapón-insertos-pultrusio-
nes.
nes.
b) Cuando la pala ha sido previamente laminada,
se mecaniza en el extremo de la raíz de la pala ya laminada una
serie de agujeros en concordancia con los insertos del conjunto
insertos-chapón y se fija el conjunto
insertos-chapón al resto de la pala mediante
adhesivo.
Una vez fijado el conjunto
insertos-chapón al resto de la pala, el resultado es
una raíz de pala suficientemente rígida como para evitar que la
interfaz de pala se deforme durante el transporte, manipulación y
montaje en campo, facilitando así las tareas de ensamblaje en el
aerogenerador; y que contribuye además a la mejora de la calidad de
la unión atornillada pala-aerogenerador; mejorando
el reparto de cargas entre tornillos o pernos y reduciendo el riesgo
de un fallo en cadena de la unión atornillada
pala-aerogenerador.
Claims (7)
1. Rigidización de la raíz de la pala de un
aerogenerador, del tipo que incorpora unos insertos como punto de
unión con los rodamientos o el buje del aerogenerador,
caracterizado porque se incorpora en la raíz (3) de la pala
un elemento rígido (1) que cohesiona los insertos (2) actuando el
conjunto como interfaz de unión entre la pala y el
aerogenerador.
2. Rigidización de la raíz de la pala de un
aerogenerador, según la primera, caracterizado porque la
cohesión de los insertos (2) al elemento rígido (1) se realiza
mediante roscado, pegado, zunchado o cualquier otra técnica
conocida.
3. Rigidización de la raíz de pala de un
aerogenerador, según la primera reivindicación, caracterizado
porque los insertos (2) determinan un tramo en forma de sólido de
revolución hueco (2.1), añadiendo un apéndice roscado (2.3) para su
unión al elemento rígido (1).
4. Rigidización de la raíz de la pala de un
aerogenerador, según la primera reivindicación, caracterizado
porque el elemento rígido (1) es un anillo de metal que determina
por una de sus caras una superficie (1.1) provista de unos agujeros
roscados para la cohesión de unos insertos (2), mientras que la otra
superficie (1.2) es lisa.
5. Proceso de rigidización de la raíz de la pala
de un aerogenerador caracterizado porque la fijación del
conjunto insertos (2) -elemento rígido (1) a la fibra se realiza por
mecanizado o por laminación.
6. Proceso de rigidización de la raíz de la pala
de un aerogenerador, según la quinta reivindicación,
caracterizado porque cuando la pala está sin laminar, se
forma la raíz de la pala laminando fibra sobre el conjunto elemento
rígido (1) - insertos (2) - pultrusiones.
7. Proceso de rigidización de la raíz de la pala
de un aerogenerador, según la quinta reivindicación,
caracterizado porque cuando la pala ha sido previamente
laminada, se mecanizan unos agujeros en la raíz (3) de dicha pala
para el ensamblaje del conjunto elemento rígido (1) - insertos (2)
mediante adhesivo.
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