ES2600523T3 - Refuerzo mecánico para pieza de material compuesto, en concreto, para una pala de eólica de grandes dimensiones - Google Patents

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Abstract

Refuerzo (26) a base de fibras y de resina para elemento (10) de material compuesto, en concreto, una pala de una eólica, obteniéndose dicho refuerzo (26) por superposición de al menos dos piezas (30) obtenidas por pultrusión, de dimensiones diferentes, con un escaso espesor con respecto a la anchura y de gran longitud, caracterizado por que cada una de dichas al menos dos piezas (30) está curvada para conformarse al perfil del elemento (10) que las recibe y adaptarse al perfil de dicho elemento, estando estas al menos dos piezas (30) superpuestas unidas entre sí para obtener un refuerzo compuesto de dichas piezas.

Description

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DESCRIPCION
Refuerzo mecanico para pieza de material compuesto, en concreto, para una pala de eolica de grandes dimensiones
La presente invencion se refiere a un refuerzo mecanico para una pieza de material compuesto, en concreto, una pala de eolica de grandes dimensiones.
Se conocen los aerogeneradores que estan constituidos por un mastil fijado en el suelo para los campos terrestres o sobre una base en el mar para los campos offshore, soportando este mastil o pilar un generador electrico cuyo arbol lleva unas palas que tienen un perfil adaptado para ser arrastradas por el viento.
Las eolicas son un medio de produccion de energia electrica limpia y renovable de manera indefinida.
No obstante, aunque ventajosos en el plano ecologico, estos medios de produccion de energia electrica presentan un inconveniente sustancial relacionado con su rendimiento limitado.
De hecho, las dimensiones estan limitadas por las exigencias mecanicas experimentadas por las palas y por la resistencia mecanica de las palas, deduciendose de esta manera de estos parametros el rango de funcionamiento relacionado con las velocidades del viento y, por lo tanto, siendo relativamente limitado.
Por consiguiente, se constata que, o bien las dimensiones de las palas son reducidas y las velocidades aceptables son bastante elevadas, o bien las dimensiones de las palas son importantes y los rangos de funcionamiento son reducidos. En este ultimo caso, una velocidad de viento demasiado escasa no arrastra las palas por el hecho de la inercia y una velocidad de viento demasiado fuerte provoca unos esfuerzos superiores a los limites de resistencia mecanica aceptables por las palas.
Por lo tanto, la busqueda se centra sobre unos medios que permitan aumentar todos estos parametros intrinsecamente relacionados que, por lo tanto, pasan todos por un aumento de la resistencia mecanica de las palas.
El problema es que el aumento de la resistencia mediante el simple aumento de los espesores de pared de las palas de material compuesto tambien hace mas pesada la pala y aumenta la inercia, lo que no es satisfactorio ademas del coste, que se ve aumentado y por el hecho de que habra mas materia que reciclar al final de la vida. De manera paralela, esto genera la necesidad de reforzar el mastil o pilar que soporta el generador.
Ademas, el reforzamiento mecanico buscado de la pala se situa, sobre todo, a la altura de la resistencia a la flexion, por lo tanto, el aumento del espesor de la pared de la pala solo responde de manera imperfecta.
Se han propuesto varias arquitecturas, como, por ejemplo, las descritas en las solicitudes WO 2010 065 928, GB 2 451 192, WO 2006 082 479, WO 2006 002 621 o US 2009 220 747.
La eleccion de los materiales se ha centrado sobre carbono o sobre otras fibras de la familia de las aramidas por el hecho de su fuerte resistencia mecanica intrinseca, pero esto no es suficiente para alcanzar el resultado buscado.
Por ello, se ha concebido recurrir a la aplicacion de largueros directamente integrados en la fabricacion de las semipalas.
Estos largueros estan realizados a partir de piezas monoliticas integradas o con unos tejidos impregnados previamente, anadidos en el transcurso de la fabricacion.
Las exigencias en compresion obtenidas respectivamente con unos tejidos de carbono y con unos tejidos impregnados previamente se situan en unos rangos de 600 a 800 MPa y 900 a 1.100 MPa.
Se sabe que los perfiles pultrusionados permiten alcanzar unas resistencias mucho mas importantes de alrededor de 1.600 MPa.
En cambio, los perfiles pultrusionados son de dimensiones constantes a la salida de fabricacion y de seccion igualmente constante.
La finalidad de la presente invencion es recurrir a unos perfiles pultrusionados de este tipo que actuan como refuerzos, en concreto, en unas palas de eolicas y que facilita la fabricacion industrial del elemento.
Estos perfiles tienen la ventaja de que pueden producirse de forma particularmente industrial con unas calidades ciertas de fabricacion y, por lo tanto, unas prestaciones homogeneas controladas y controlables, reproducibles.
El refuerzo segun la invencion se describe ahora en detalle siguiendo dos modos de realizacion que permiten generalizar el alcance de la invencion y mostrar todos los potenciales de esta.
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La invencion se describe ahora en detalle haciendo referencia a los dibujos siguientes en los que las figuras representan:
- Figura 1: una vista esquematica de una pala de eolica,
- Figura 2: una vista de una pala de eolica con un refuerzo segun la invencion cuya colocacion en intrados y en extrados se esquematiza y en lupa un detalle de un corte transversal,
- Figura 3: una vista en perspectiva de un refuerzo segun la invencion listo para integrarse durante la fabricacion de una pala de eolica, y
- Figura 4: una vista antes y despues de mecanizado que permite disminuir las exigencias de extremo.
La invencion se describe ahora en relacion con las figuras 1, 2 o 3 de manera indiferente.
En la figura 1, se ha representado de forma esquematica, una pala 10 de un rotor de eolica, el mismo no representado, que incluye por lo general tres de ellas.
Este tipo de pala esta realizado por moldeo en dos semipalas 12, 14, inferior y superior, que a continuacion se ensamblan siguiendo un plano de confluencia sustancialmente. El perfil de una pala de eolica es del tipo alar como un ala de avion con un borde 16 de ataque, un borde 18 de fuga, un intrados 20 y un extrados 22.
La pala 10 comprende un pie de pala 24 que tiene por objeto estar fijado mediante una brida sobre dicho rotor, por lo general mediante un sistema de bulones.
El cuerpo de cada semipala esta fabricado de forma conocida mediante una envoltura de capas de fibras o tejidos empapados en una matriz de resina. Las partes fuertemente solicitadas experimentan un aumento del espesor de materia.
De hecho, la forma compleja y las dimensiones hacen dificil el recurso a unos materiales alveolares de tipo nido de abeja que tendrian la ventaja de una fuerte resistencia y de una gran ligereza.
La presente invencion propone anadir durante la fabricacion por ejemplo, o a posteriori, al menos un refuerzo 26 que hace la funcion de larguero, por cada lado de la pala, por lo tanto, dentro de cada semipala, asi como se representa en la figura 2, sustancialmente siguiendo el eje longitudinal.
Un refuerzo de este tipo debe presentar un perfil adaptado a los esfuerzos experimentados por la pala y, por lo tanto, debe presentar un espesor variable.
Por otra parte, se sabe que existe una tecnologia de fabricacion de piezas de material compuesto de muy altas prestaciones, por lo general, realizadas a partir de fibras de carbono adecuadas para desarrollar unas resistencias a la compresion mas alla de 1.600 MPa: es la pultrusion.
Esta tecnologia permite la realizacion de unas piezas con una seccion constante, de perfil sencillo, en concreto, de seccion redonda, cuadrada, rectangular.
La calidad de realizacion, la reproducibilidad y las prestaciones son excepcionales.
De esta manera, es posible la realizacion en continuo de un perfil 28 pultrusionado, de seccion rectangular. Para dar un ejemplo, un perfil de este tipo presenta una anchura muy superior a su espesor, 500 mm de ancho para un espesor de 1 a 2 mm.
Este perfil se produce mediante un recorte mecanico a la longitud requerida para constituir unas piezas 30, en este caso, unas piezas 30 en forma de laminas.
Existen entonces dos opciones, o bien la fabricacion previa del refuerzo 26 segun la invencion, o bien la fabricacion del refuerzo 26 in situ, en el lugar de fabricacion de la pala.
En los dos casos, la sucesion de las etapas de realizacion es identica. De hecho, conviene superponer al menos dos piezas 30 en forma de laminas realizadas de esta manera y solidarizarlas por adhesion para obtener una estructura del tipo laminado-adhesion que forma el refuerzo 26.
Ventajosamente, la longitud de las laminas es variable, lo que permite el ajuste del espesor del refuerzo en funcion de las zonas que requieren un aumento de las propiedades de resistencia mecanica y la obtencion de la progresividad buscada.
El espesor, siempre en el ejemplo dado de forma no limitativa, puede generar un espesor de 40 a 50 mm en la parte mas reforzada, que es el resultado de la superposicion de varias decenas de laminas.
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De esta manera, se controla, en concreto, la resistencia a la flexion de la pala de eolica y el perfil de reparto de esta resistencia.
Ademas, los esfuerzos son diferentes sobre el intrados y sobre el extrados, por lo que los refuerzos correspondientes son igualmente diferentes.
El peso de la pala final se disminuye por el hecho de la integracion de este refuerzo de alto modulo segun la invencion, que tambien lleva a unas prestaciones mejoradas asi como a unos rangos de trabajo de mayor amplitud.
Tambien se senala que el refuerzo segun la presente invencion esta constituido por laminas que son deformables de manera unitaria, sin esfuerzo importante. Esto permite una conformacion de cada lamina para seguir el perfil curvilineo de las palas. Una vez conformadas y unidas entre si por adhesion, en concreto, el refuerzo obtenido esta, por lo tanto, conformado, y es de una gran firmeza, variable a lo largo de la pala.
Se constata que el perfil de muy escaso espesor puede entregarse en bobina, lo que facilita en gran manera la fabricacion industrial de la pala. De hecho, los perfiles pultrusionados estan bobinados y se entregan de gran longitud que es suficiente con recortar para realizar los ensamblajes por superposicion de varias decenas de laminas.
La figura 4 representa un perfeccionamiento de la realizacion de unas piezas de este tipo por superposicion de laminas. Los extremos se encuentran con una superposicion de los espesores desviados que forman unos peldanos de escalera. Con el fin de luchar contra la concentracion de exigencias y para limitar los riesgos de deslaminado, es posible proceder a un mecanizado en curva, como se muestra a la derecha de la figura 4, que de esta manera suprime las escaleras.
Por supuesto, como variante, la seccion del perfil obtenido por pultrusion podria ser triangular con unos juncos triangulares yuxtapuestos lateralmente sin salirse del marco de la invencion.
Entonces, estos juncos se introducirian directamente o se colocarian en sandwich entre dos pieles de laminas pultrusionadas de seccion rectangular, por ejemplo, para formar un refuerzo adaptado.
Las laminas son de seccion rectangular, pero la seccion transversal tambien puede ser curvada para tener en cuenta la forma de la pala en la zona donde esta dispuesto dicho refuerzo.
Ademas, de la manera en que lo permite la pultrusion, las fibras estan dispuestas de forma adaptadas con, en concreto, unas fibras unidireccionales para aumentar la rigidez longitudinal y unas fibras orientadas para asegurar la recogida de los esfuerzos de torsion y o de flexion compuesta.
La naturaleza de las fibras utilizadas es mas bien tecnica de alta prestacion, de carbono, pero el refuerzo segun la presente invencion encuentra una aplicacion con unas fibras de vidrio igualmente.
Asimismo, en el ejemplo por el que se opta, estan previstas unas laminas de anchura identica, pero tambien es posible prever una superposicion de laminas de longitud y de anchura decrecientes, por ejemplo, y/o de espesores variables.
Igualmente, si la anchura necesaria es superior a la anchura extrudible, es posible yuxtaponer lateralmente varios conjuntos con cada uno una superposicion de laminas.

Claims (6)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Refuerzo (26) a base de fibras y de resina para elemento (10) de material compuesto, en concreto, una pala de una eolica, obteniendose dicho refuerzo (26) por superposicion de al menos dos piezas (30) obtenidas por pultrusion, de dimensiones diferentes, con un escaso espesor con respecto a la anchura y de gran longitud, caracterizado por que cada una de dichas al menos dos piezas (30) esta curvada para conformarse al perfil del elemento (10) que las recibe y adaptarse al perfil de dicho elemento, estando estas al menos dos piezas (30) superpuestas unidas entre si para obtener un refuerzo compuesto de dichas piezas.
  2. 2. Refuerzo para elemento de material compuesto segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada una de dichas al menos dos piezas (30) comprende unas fibras unidireccionales.
  3. 3. Refuerzo para elemento de material compuesto segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que constituye el larguero de una pala de una eolica.
  4. 4. Refuerzo para elemento de material compuesto segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las fibras son unas fibras de carbono.
  5. 5. Refuerzo para elemento de material compuesto segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los extremos estan mecanizados segun un perfil curvo para limitar las exigencias.
  6. 6. Pala de eolica (10) que comprende un refuerzo (26) segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el refuerzo (26) esta dispuesto siguiendo su eje longitudinal para resistir a la flexion.
ES12305281.3T 2011-03-11 2012-03-09 Refuerzo mecánico para pieza de material compuesto, en concreto, para una pala de eólica de grandes dimensiones Active ES2600523T3 (es)

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