ES2674663T3 - Un método para fabricar una parte de cubierta aerodinámica para una pala de turbina eólica - Google Patents

Un método para fabricar una parte de cubierta aerodinámica para una pala de turbina eólica Download PDF

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Abstract

Un método para fabricar una parte (170) de cubierta aerodinámica para una pala (10) de turbina eólica, la parte de cubierta aerodinámica que comprende un rebaje (176) para la disposición y conexión de una tapa de larguero (160) dentro de dicho rebaje, comprendiendo dicho método las etapas de: a) proporcionar una primera parte (150) de molde que tiene una primera superficie de conformación que define una parte de un exterior de la parte de cubierta aerodinámica, b) acumular un material de refuerzo de fibra y, además, material de núcleo intercalado (167, 169) en el primer molde en la primera superficie de conformación, c) disponer uno o más insertos (190, 196, 198) que tienen una forma exterior correspondiente a al menos los lados del rebaje de la parte de cubierta aerodinámica, d) suministrar resina a dicho material de refuerzo de fibra y material de núcleo intercalado, e) curar o consolidar previamente la resina, y f) retirar el uno o más insertos.

Description

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DESCRIPCIÓN
Un método para fabricar una parte de cubierta aerodinámica para una pala de turbina eólica Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para fabricar una parte de cubierta aerodinámica para una pala de turbina eólica. La invención se refiere además a un estuche de partes para fabricar la parte de cubierta aerodinámica.
Antecedentes
Las palas de turbina eólica a menudo se fabrican según uno de dos diseños constructivos, concretamente un diseño en el que una cubierta aerodinámica fina está pegada sobre una viga de larguero, o un diseño donde unas tapas de larguero, también denominadas laminados principales, se integran en la cubierta aerodinámica.
En el primer diseño, la viga de larguero constituye la estructura de soporte de carga de la pala. La viga de larguero así como la cubierta aerodinámica o partes de cubierta se fabrican por separado. La cubierta aerodinámica es a menudo fabricada como dos partes de cubierta, de forma típica como una parte de cubierta de lado presión y una parte de cubierta de lado de succión. Las dos partes de cubierta están pegadas o se conectan de otro modo a la viga de larguero y también están pegadas unas con otras a lo largo de un borde anterior y un borde posterior de las partes de cubierta. Este diseño presenta la ventaja de que la estructura de soporte de carga crítica puede fabricarse por separado y por tanto es más fácil de controlar. Adicionalmente, este diseño permite varios métodos de fabricación diferentes para producir la viga, tales como moldeo y bobinado de filamento.
En el segundo diseño, las tapas de larguero o los laminados principales se integran en la cubierta y se moldean juntos con la cubierta aerodinámica. Los laminados principales comprenden de forma típica una gran cantidad de capas de fibra en comparación con el resto de la pala y pueden formar un engrosamiento local de la cubierta de la turbina eólica, al menos con respecto a la cantidad de capas de fibra. Por lo tanto, el laminado principal puede formar una inserción de fibra en la pala. En este diseño, los laminados principales constituyen la estructura que soporta la carga. Las cubiertas de pala están de forma típica diseñadas con un primer laminado principal integrado en la parte de cubierta de lado de presión y un segundo laminado principal integrado en la parte de cubierta de lado de succión. El primer laminado principal y el segundo laminado principal se conectan, por lo general, a través de una o más bandas de cizalla, que, por ejemplo, pueden tener una forma de C o I. Para palas muy largas, las cubiertas de pala además a lo largo de por lo menos una parte de la extensión longitudinal comprenden un primer laminar principal adicional en la cubierta del lado de presión, y un segundo laminado principal adicional en la cubierta del lado de succión. Estos laminados principales adicionales también se pueden conectar mediante una o más bandas de cizalla. Este diseño tiene la ventaja de que es más fácil controlar la forma aerodinámica de la pala a través del moldeo de la parte de cubierta de pala.
Una infusión por vacío o VARTM (moldeo por transferencia de resina asistido por vacío) es un método, que se emplea de forma típica para fabricar estructuras compuestas, tal como las palas de turbina eólica que comprenden un material de matriz reforzado con fibra.
Durante el proceso de llenado del molde, un vacío, entendiéndose el vacío en esta conexión como una presión negativa o inferior, se genera mediante salidas de vacío en la cavidad del molde, por lo cual el polímero líquido es atraído a la cavidad del molde a través de los canales de entrada para llenar dicha cavidad del molde. Desde los canales de entrada el polímero se dispersa en todas las direcciones en la cavidad del molde debido a la presión negativa a medida que una parte delantera de flujo se mueve hacia los canales de vacío. Por lo tanto, es importante colocar los canales de entrada y los canales de vacío óptimamente para obtener un llenado completo de la cavidad del molde. Asegurar una distribución completa del polímero en toda la cavidad del molde, sin embargo, a menudo, es difícil y, en consecuencia, esto resulta, frecuentemente, en las denominadas manchas secas, es decir, las áreas con material de fibra no están suficientemente impregnadas con una resina. Por lo tanto, las manchas secas son áreas donde el material de fibra no está impregnado, y donde puede haber bolsas de aire, que son difíciles o imposibles de eliminar mediante el control de la presión de vacío y una posible sobrepresión en el lado de entrada. En las técnicas de infusión por vacío que emplean una parte de molde rígida y una parte de molde flexible en forma de una bolsa de vacío, las manchas secas pueden repararse después del proceso de llenado del molde perforando la bolsa en el lugar respectivo y extrayendo aire, por ejemplo, por medio de una aguja de jeringa. El polímero líquido puede inyectarse opcionalmente en la ubicación respectiva, y esto puede realizarse, por ejemplo, por medio de una aguja de jeringa también. Este es un proceso lento y consume mucho tiempo. En el caso de piezas grandes de molde, los trabajadores tienen que pararse sobre la bolsa de vacío. Esto no es deseable, especialmente cuando el polímero no se ha endurecido, ya que puede resultar en deformaciones en el material de fibra insertado y, por lo tanto, en un debilitamiento local de la estructura, que puede causar, por ejemplo, efectos de pandeo.
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En la mayoría de los casos el polímero o resina aplicada es poliéster, éster de vinilo o epoxi, pero también puede ser PUR o pDCPD, y el refuerzo de fibra está con máxima frecuencia basado en fibras de vidrio o fibras de carbono. El epoxi tiene ventajas con respecto a varias propiedades, tal como la contracción durante el curado (a su vez, conduciendo potencialmente a menos arrugas en el laminado), propiedades eléctricas y resistencia mecánica y a la fatiga. El poliéster y los ésteres de vinilo tienen la ventaja de que proporcionan mejores propiedades de unión a los recubrimientos de gel. Por ello, se puede aplicar un recubrimiento de gel a la superficie exterior de la cubierta durante la fabricación de la cubierta aplicando un recubrimiento de gel al molde antes de que el material de refuerzo de fibra se disponga en el molde. Por lo tanto, diversas operaciones de postmoldeo, tal como pintar la pala, pueden ser evitadas. Adicionalmente, los poliésteres y ésteres de vinilo son más económicos que los epoxis. En consecuencia, el proceso de fabricación puede ser simplificado y disminuirse los costes.
Con frecuencia, las estructuras compuestas comprenden un material de núcleo cubierto con un material reforzado con fibra, tal como una o más capas de polímero reforzado con fibra. El material de núcleo puede usarse como un separador entre estas capas para formar una estructura intercalada y, por lo general, está hecho de un material rígido, liviano con el fin de reducir el peso de la estructura compuesta. Con el fin de asegurar una distribución eficiente de la resina líquida durante el proceso de impregnación, el material de núcleo puede estar provisto de una red de distribución de resina, por ejemplo, al proporcionar canales o ranuras en la superficie del material de núcleo.
Por ejemplo, ya que las palas para las turbinas eólicas son más y más grandes con el paso del tiempo y pueden ahora ser de más de 60 metros de largo, el tiempo de impregnación en relación con la fabricación de tales palas ha aumentado, ya que se debe impregnar más material de fibra con polímero. Además, el proceso de infusión se ha vuelto más complicado, ya que la impregnación de miembros de cubierta grandes, tales como palas, exige el control de los frentes de flujo para evitar manchas secas, dicho control puede incluir, por ejemplo, un control relacionado con el tiempo de los canales de entrada y canales de vacío. Esto aumenta el tiempo requerido para extraer o inyectar polímero. Como resultado, el polímero tiene que permanecer líquido durante un tiempo más prolongado, normalmente también dando como resultado un aumento en el tiempo de curado.
El moldeo por transferencia de resina (RTM) es un método de fabricación, que es similar al VARTM. En el RTM, la resina líquida no es atraída hacia la cavidad del molde debido a un vacío generado en la cavidad del molde. En cambio, la resina líquida es forzada hacia la cavidad del molde a través de una sobrepresión en el lado de entrada.
El moldeo preimpregnado es un método en el que las fibras de refuerzo se preimpregnan con una resina precatalizada. La resina es, por lo general, sólida o casi sólida a temperatura ambiente. Los preimpregnados se disponen a mano o a máquina sobre una superficie de molde, se embolsan al vacío y luego se calientan a una temperatura, en donde se deja que la resina refluya y eventualmente se cure. Este método tiene la ventaja principal de que el contenido de resina en el material de fibra se establece con precisión de antemano. Es fácil y limpio trabajar con los preimpregnados y hacen factible la automatización y ahorro de mano de obra. La desventaja de los preimpregnados es que el coste del material es mayor que para las fibras no impregnadas. Adicionalmente, el material de núcleo necesita estar hecho de un material, que es capaz de soportar las temperaturas de proceso necesarias para que la resina vuelva a fluir. El moldeo de preimpregnados se puede usar tanto en conexión con un proceso de RTM como VARTM.
Adicionalmente, es posible fabricar moldes huecos en una pieza mediante el uso de partes de molde exterior y un núcleo de molde. Este método se describe, por ejemplo, en el documento EP 1 310 351 y puede combinarse fácilmente con RTM, VARTM y moldeo de preimpregnado.
El documento WO 2011/035541 A1 describe la fabricación de una pala de turbina eólica, en donde una caja de larguero y una parte de cubierta no estructural se fabrican separadamente y luego se conectan. El documento no proporciona ninguna enseñanza explícita de la forma en que se conforma la cubierta de la pala.
El documento WO 2009/010706 A1 divulga un molde que tiene una parte inferior y una parte superior. Se disponen una cantidad de insertos en la parte inferior del molde, y la parte superior del molde es complementaria a la forma de la parte inferior con insertos. La parte moldeada tiene una forma corrugada (y no una parte de cubierta con un rebaje)
El documento US 2003/019567 A1 divulga un método para fabricar una parte compuesta mediante el uso de preformas. En una realización, se usa un miembro de alineamiento en forma de un bloque de espuma o silicona para sostener una preforma con una orientación precisa en relación con otra preforma. La parte compuesta fabricada comprende un elemento delgado que sobresale de una parte de base. En consecuencia, la parte compuesta no es una parte de cubierta con un rebaje formado.
Divulgación de la invención
Un objetivo de la invención es obtener parcialmente un nuevo diseño de pala y productos intermedios de este diseño
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así como un nuevo método para fabricar tales palas de turbina eólica y productos intermedios, y que supere o mejore por lo menos una de las desventajas de la técnica anterior o que proporcione una alternativa útil.
Según un primer aspecto, la invención proporciona un método para fabricar la cubierta aerodinámica mencionada anteriormente con un rebaje. En consecuencia, la invención proporciona un método para fabricar una parte de cubierta aerodinámica para una turbina eólica, la parte de cubierta aerodinámica que comprende un rebaje para la disposición y conexión de una tapa de larguero dentro de dicho rebaje, comprendiendo dicho método las etapas de: a) proporcionar una primera parte de molde que tiene una primera superficie de conformación que define una parte de un exterior de la parte de cubierta aerodinámica, b) colocar el material de refuerzo de fibra y también el material de núcleo intercalado en el primer molde sobre la primera superficie de conformación, c) disponer uno o más insertos que tengan una forma exterior correspondiente a al menos los lados del rebaje de la parte de cubierta aerodinámica, d) suministrar resina a dicho material de refuerzo de fibra y material de núcleo intercalado opcional, e) curar o consolidar previamente la resina, y f) retirar el uno o más insertos.
La resina en la etapa d) se puede suministrar a los materiales de fibra mediante preimpregnados, es decir, simultáneamente con la acumulación de material de refuerzo de fibra, o suministrarse posteriormente. También es posible utilizar una combinación de preimpregnados y resina adicional suministrada al material de fibra. La resina se cura, preferentemente, antes de que el uno o más insertos se eliminen dejando una impresión o rebaje en la parte de cubierta aerodinámica.
Este método de fabricación proporciona una forma simple de conformar la cubierta aerodinámica con un rebaje en la posición correcta y para conectar la tapa de larguero en la posición correcta con respecto a la cubierta de la pala. Adicionalmente, el inserto asegura que el material de fibra y el material de núcleo intercalado no se deslicen hacia abajo desde los lados del molde y provoquen arrugas en la acumulación.
Por ejemplo, el uno o más insertos pueden estar conformados como una simulación que corresponde a por lo menos una forma exterior de la tapa de larguero, que se inserta y conecta al rebaje. Esto proporciona una forma simple de asegurar que la forma del rebaje corresponde sustancialmente a la forma de la tapa de larguero.
En consecuencia, el uno o más insertos tienen una forma exterior que corresponde al menos a una superficie exterior de la tapa de larguero.
El inserto de simulación puede formarse como un solo elemento que corresponde a todo el rebaje. Como alternativa, puede estar compuesto de un número de insertos separados que forman cada uno una sección longitudinal separada del rebaje. En consecuencia, el uno o más insertos pueden comprender un primer inserto que forma al menos una parte de un primer lado del rebaje, y un segundo inserto que forma al menos una parte de un segundo lado del rebaje. De modo similar a la simulación, el primer inserto y el segundo inserto pueden formar el primer lado completo y el segundo lado del rebaje, respectivamente. Como alternativa, pueden estar formados por una serie de primeros insertos laterales y segundos insertos laterales, cada uno de las cuales forma una sección longitudinal del primer lado y el segundo lado del rebaje, respectivamente. Los insertos individuales también pueden estar separados en la sección longitudinal con una separación mutua, por lo tanto, solo están dispuestos a lo largo de partes del rebaje. En tal realización, las partes individuales siguen siendo útiles para garantizar que la posición del rebaje se forme con precisión y para garantizar que el material de fibra y las partes del núcleo intercalado no se deslicen hacia abajo desde los lados de la superficie de moldeo.
Ventajosamente, un material de liberación, tal como una sustancia cerosa, se aplica a dicho uno o más insertos para evitar que dicho uno o más insertos se adhieran al material de la cubierta aerodinámica.
Tal como se ha mencionado anteriormente, el método puede comprender el uso de infusión por vacío, tal como el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM.)
En una realización, se aplica una bolsa de vacío sobre el material de refuerzo de fibra y el material de núcleo intercalado así como uno o más insertos y se sellan a la primera parte del molde.
Una cavidad de molde se forma así entre la primera, de forma ventajosa rígida, parte del molde y la primera bolsa de vacío. El material de refuerzo de fibra, el material de núcleo intercalado y el uno o más insertos se disponen de esta manera en la cavidad del molde. La cavidad del molde está unida a una fuente de vacío que primero evacua la cavidad del molde. De este modo, el material dispuesto en la cavidad del molde se comprime debido a las fuerzas aplicadas desde la bolsa de vacío. Esto asegura, además, que el uno o más insertos se presionen contra el material de refuerzo de fibra, y de ese modo se proporciona una impresión de conformidad con el rebaje previsto.
En otra realización, se aplica una primera bolsa de vacío sobre el material de refuerzo de fibra y el material de núcleo intercalado, y en donde el uno o más insertos se disponen encima de la primera bolsa de vacío, y en donde una segunda bolsa de vacío está dispuesta sobre la parte superior del uno o más insertos.
La primera y la segunda bolsas de vacío están selladas para formar una primera cavidad de molde y una segunda cavidad de molde. Las dos cavidades de molde se evacuan primero. La resina entonces se hace fluir y/o se inyecta en la primera cavidad del molde, así humedeciendo el material de fibra. Después, la resina se consolida o cura previamente, y los insertos pueden eliminarse junto con las bolsas de vacío. Esta modalidad tiene la ventaja de 5 retirar fácilmente los insertos sin tener que aplicar un material o recubrimiento de liberación al uno o más insertos.
El uno o más insertos se pueden extender a lo largo de toda la extensión longitudinal del rebaje. El uno o más insertos pueden formar secciones longitudinales separadas del rebaje. El uno o más insertos se disponen de manera que son adyacentes, y de forma alternativa pueden disponerse con una separación mutua en la dirección longitudinal.
10 La invención también proporciona un estuche de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica de una pala de turbina eólica, la parte de cubierta aerodinámica que comprende un rebaje para la disposición y conexión de una tapa de larguero dentro de dicho rebaje, en donde el estuche de partes comprende: una primera parte de molde que tiene una primera superficie de conformación que define una parte de un exterior de la parte de cubierta aerodinámica, y uno o más insertos que tienen una forma exterior correspondiente a por lo menos los lados del 15 rebaje de la parte de cubierta aerodinámica.
La primera parte del molde puede comprender medios de alineación, tales como marcas, para disponer y alinear el uno o más insertos en la primera superficie de conformación.
La primera superficie de moldeo y el uno o más insertos pueden estar provistos de medios de conexión de acoplamiento, de manera que el uno o más insertos se puedan conectar a la primera superficie de moldeo de la 20 primera parte del molde. La primera superficie de moldeo está provista de aberturas, tales como orificios, y el uno o más insertos pueden proporcionarse con medios de unión, como pasadores, que pueden acoplarse con las aberturas en la primera superficie de moldeo. Por lo tanto, el uno o más insertos se pueden fijar a la primera parte del molde de manera que sean capaces de soportar el peso del material de fibra y el material de núcleo intercalado, de manera que dicho material no se deslice hacia abajo desde los lados de la primera superficie de conformación 25 durante la acumulación.
Las aberturas en la superficie de conformación de la parte de molde pueden proporcionarse con una bomba de vacío para aplicar vacío, cuando se aplica vacío a la cavidad del molde. Las aberturas pueden estar provistas de una válvula, que se puede cerrar cuando la resina se inyecta posteriormente en la cavidad del molde. Después del curado las válvulas pueden volver a abrirse para que los insertos puedan retirarse de nuevo fácilmente.
30 Los insertos pueden estar hechos de aluminio o de un material de polipropileno, u otro material, al cual no se adhiere la resina. Los insertos pueden tratarse con cera o un material no deslizante para retirar fácilmente los insertos.
Sin embargo, también se contempla que los insertos se pueden usar sin necesidad de fijar mecánicamente los insertos a la superficie de conformación de la parte de molde. En tal situación, la parte de molde se puede proporcionar únicamente con marcadores. Así mismo, puede ser posible proyectar líneas trazadoras desde una 35 fuente óptica, tal como una fuente de luz infrarroja, en el molde para ayudar a disponer y alinear los insertos.
Según otro aspecto, la presente divulgación proporciona una pala de turbina eólica que comprende una estructura de soporte de carga que incluye al menos una primera tapa de larguero, y una cubierta aerodinámica que tiene una superficie exterior que forma al menos una parte de una superficie exterior de la pala de turbina eólica y una superficie interior, en donde la estructura de soporte de carga está conectada a la cubierta aerodinámica, y en donde 40 la cubierta aerodinámica comprende un primer rebaje en la superficie interior de la cubierta de pala, y la primera tapa de larguero está dispuesta en y conectada al primer rebaje de la cubierta aerodinámica. La cubierta aerodinámica comprende una primera parte espesada en un primer lado del primer rebaje y una segunda parte espesada en un segundo lado del primer rebaje. El primer rebaje está ahusado hacia el primer lado del rebaje y ahusado hacia el segundo lado del rebaje. La primera tapa de larguero se ahúsa hacia un primer lado de la tapa de larguero, y se 45 ahúsa hacia un segundo lado de la tapa de larguero. El primer lado de la tapa de larguero prácticamente colinda o se une al primer lado del rebaje, y el segundo lado de la tapa de larguero prácticamente colinda o se une al segundo lado del rebaje.
Por lo tanto, se observa que la primera parte espesada puede ahusarse hacia (el primer lado de) el rebaje, y la segunda parte espesada puede ahusarse hacia (el segundo lado de) el rebaje, y que los lados de la tapa de larguero 50 se ahúsan correspondientemente, de manera que la tapa de larguero, cuando se dispone en el rebaje, se topa con los lados del rebaje. Por ello, una transición gradual entre la tapa de larguero y la estructura de cubierta en el rebaje puede obtenerse con baja transición en la rigidez, disminuyendo así las concentraciones de tensión en la pala de la turbina eólica final.
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El ángulo ahusado de los lados del rebaje puede, por ejemplo, estar entre 10 y 80. De manera similar, el ángulo ahusado del lado de la tapa de larguero puede estar entre 10 y 80 grados.
Al fabricar la cubierta aerodinámica y la tapa de larguero por separado y posteriormente uniendo la tapa de larguero al rebaje de la cubierta aerodinámica, se asegura que la estructura de soporte de carga pueda colocarse de manera muy precisa en la pala terminada y que se logre una transición gradual de rigidez entre las partes ahusadas de la tapa de larguero y la cubierta aerodinámica.
Es evidente que la pala de la turbina eólica se forma como una estructura alargada que tiene una dirección longitudinal. Tanto la estructura aerodinámica como la estructura de soporte de carga también están formadas, por lo tanto, como estructuras alargadas conectadas entre sí a lo largo de una superficie de conexión que se extiende en dirección longitudinal de la pala. Por lo tanto, también es evidente que el rebaje se extiende en la dirección longitudinal de la pala y la cubierta aerodinámica.
El diseño con un rebaje proporcionado en la cubierta de la pala y la tapa de larguero unida al rebaje permite un proceso de fabricación, cuando la tapa de larguero y la cubierta aerodinámica pueden fabricarse por separado, y en donde la tapa de larguero puede estar adherida de manera muy precisa a la cubierta de pala en la posición correcta.
De acuerdo con una realización ventajosa, la estructura de soporte de carga comprende, además, una segunda tapa de larguero, y la cubierta aerodinámica comprende, además, un segundo rebaje en la superficie interior de la cubierta de pala, y en donde la segunda tapa de larguero está dispuesta en y conectada al segundo rebaje de la cubierta aerodinámica.
El primer rebaje puede estar formado en una parte de cubierta del lado de presión de la cubierta aerodinámica, y el segundo rebaje puede estar formado en una parte de cubierta del lado de succión de la cubierta aerodinámica. Por lo tanto, es evidente que la primera tapa de larguero forma una parte de estructura de soporte de carga unida al lado de presión de la pala, y la segunda tapa de larguero forma una parte de estructura de soporte de carga unida al lado de succión de la pala.
La primera parte espesada y/o la segunda parte espesada se pueden formar como una estructura intercalada que comprende una cantidad de capas exteriores de revestimiento, un número de capas internas de revestimiento y un material de núcleo intercalado intermedio.
Por lo tanto, el rebaje se puede formar con una parte no espesada (o parte de la cubierta de rebaje) entre la primera parte espesada y la segunda parte espesada. La parte de cubierta de rebaje puede comprender simplemente varias capas de fibra, es decir, que corresponden al revestimiento interior y exterior de las partes espesadas yuxtapuestas.
El material de núcleo intercalado intermedio puede ser madera de balsa. El material de núcleo intermedio puede ser, además, un polímero en espuma.
Todas las realizaciones descritas en relación con la primera tapa de larguero y el primer rebaje pueden también aplicarse por supuesto al segundo rebaje y la segunda tapa de larguero.
Por ejemplo, la tapa de larguero puede formarse según cualquiera de las realizaciones descritas con una cuña de núcleo intercalado en los lados.
De acuerdo con una realización ventajosa, el material de núcleo intercalado de la(s) tapa(s) de larguero es un polímero espumado, y el material de núcleo intercalado de la cubierta aerodinámica es madera de balsa. Esto proporciona una realización, donde la cubierta de pala puede ser fabricada con la madera de balsa menos cara. Sin embargo, la madera de balsa puede ser eléctricamente conductora. Al proporcionar un material polimérico espumado en los lados de la tapa de larguero, es posible aislar eléctricamente el laminado principal de la madera de balsa, lo que para fines de protección contra rayos puede ser ventajoso, en particular, si la tapa de larguero comprende fibras de carbono.
De acuerdo con otra realización ventajosa, la primera tapa de larguero comprende un primer labio o ala dispuesta a lo largo de un primer lado de la primera tapa de larguero, y un segundo labio o ala dispuesta a lo largo de un segundo lado de la primera tapa de larguero. El primer labio (o ala) y el segundo labio (o ala) están formados como salientes que se extienden desde y a lo largo del primer lado y del segundo lado de la primera tapa de larguero. El primer labio y el segundo labio pueden formarse como estructuras reforzadas con fibra.
En una realización, el primer labio de la fibra está unido a una superficie interior de la primera parte espesada de la cubierta aerodinámica, y en donde el segundo labio de la fibra está unido a una superficie interior de la segunda parte espesada de la cubierta aerodinámica.
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En otra realización, se forma una cavidad entre una superficie interior, el rebaje y la primera superficie de la tapa de larguero. La cavidad puede estar formada por los lados ahusados de la tapa de larguero y el rebaje y/o puede estar formada por el primer labio de la fibra y el segundo labio de la fibra. Además, los labios o elementos salientes pueden actuar como una barrera de pegamento para que solamente se pueda inyectar el pegamento necesario en la cavidad o pueda retirarse el exceso de pegamento inyectando pegamento desde un extremo longitudinal de la cavidad y recoger dicho exceso de pegamento en un segundo extremo de la cavidad.
La tapa de larguero puede conectarse al rebaje de la cubierta por medio de un adhesivo que llena la cavidad. En la práctica, el adhesivo puede aplicarse antes de que la tapa de larguero esté dispuesta en el rebaje o puede inyectarse en una cavidad formada entre la tapa de larguero y el rebaje.
La presente divulgación proporciona, además, un método para fabricar una pala de turbina eólica, en donde el método comprende las etapas de: a) fabricar una cubierta aerodinámica que tiene un primer rebaje, la cubierta aerodinámica estando fabricada de modo que comprenda una primera parte espesada en un primer lado del primer rebaje y una segunda parte espesada en un segundo lado del primer rebaje, y de forma que el primer rebaje está ahusado hacia el primer lado del rebaje y ahusado hacia el segundo lado del rebaje, b) fabricar una estructura de soporte de carga que incluye por lo menos una primera tapa de larguero, la primera tapa de larguero fabricándose de manera que se ahúsa hacia un primer lado de la tapa de larguero y además se ahúsa hacia un segundo lado de la tapa de larguero, c) disponer la primera tapa de larguero en el primer rebaje de la cubierta aerodinámica de manera que el primer lado de la tapa de larguero prácticamente se apoya o une al primer lado del rebaje, y el segundo lado de la tapa de larguero prácticamente se apoya o une al segundo lado del rebaje y d) conectar la primera tapa de larguero a la cubierta aerodinámica. Ventajosamente, en la etapa d), la primera tapa de larguero está pegada a la cubierta aerodinámica.
De acuerdo con aún otro aspecto, la presente divulgación proporciona una pala de turbina eólica que comprende: una estructura de soporte de carga que incluye por lo menos una primera tapa de larguero, y en donde la primera tapa de larguero se fabrica previamente como un objeto reforzado con fibra que comprende un primer material de refuerzo de fibra y un primer material de matriz, y una cubierta aerodinámica hecha en un material reforzado con fibra que comprende un segundo material de refuerzo de fibra y un segundo material de matriz, en donde la estructura de soporte de carga está conectada a la cubierta aerodinámica, y en donde el segundo material de matriz es un poliéster o viniléster, y el primer material de matriz es un material polimérico distinto al poliéster o viniléster. La cubierta aerodinámica es una lámina delgada que define el contorno exterior de la pala de la turbina eólica y, por consiguiente, la forma aerodinámica de la pala.
El segundo material de matriz puede ser ventajosamente una resina con base de epoxi. En una realización, el segundo material de matriz (p. ej., la resina con base de epoxi) es una resina de curado de calor en oposición a un curado a través de una reacción química catalítica, p. ej., producir calor exotérmico. La resina de curado térmico puede ser ventajosamente una resina termoestable, pero, en principio, también puede ser un termoplástico.
Por lo tanto, de conformidad con una realización altamente ventajosa, la cubierta se fabrica mediante una resina que se cura a través de una reacción química catalítica, es decir, una reacción química exotérmica. La tapa de larguero por otra parte se fabrica y cura mediante una resina activada térmicamente, tales como un epoxi. Por ello, la cubierta aerodinámica puede fabricarse mediante materiales y moldes relativos económicos, mientras que la tapa de larguero se puede fabricar en moldes calentados y materiales de matriz que tienen ventajas con respecto a, entre otros, encogimiento (a su vez conduciendo a menos arrugas en el laminado), propiedades eléctricas y resistencia mecánica y a la fatiga. Adicionalmente, la fabricación de la cubierta y la fabricación de la estructura de soporte de carga crítica se separan una de la otra, lo que significa que es más fácil de controlar la fabricación de las estructuras individuales. Por lo tanto, se establece un enfoque de fabricación optimizado en costes para fabricar la cubierta de la pala, a la vez que se aseguran propiedades mecánicas optimizadas para la parte más crítica de la estructura de soporte de carga de la pala, concretamente la tapa de larguero. Adicionalmente, la tapa de larguero se puede fabricar a través de un molde mucho más estrecho. Por lo tanto, si es necesario, las reparaciones posteriores pueden llevarse a cabo con mayor facilidad sin tener que caminar alrededor del material de refuerzo de fibra.
De acuerdo con una realización ventajosa, el primer material de matriz es una resina con base de epoxi. De acuerdo con otra realización ventajosa, el primer material de refuerzo de fibra comprende fibras de carbono. Por ello, la estructura de soporte de carga se puede hacer relativamente rígida en comparación con el peso y la cantidad de material de refuerzo de fibra usado para la estructura de soporte de carga. Por lo tanto, la pala puede hacerse más liviana y/o menos elástica, de ese modo reduciendo los momentos transferidos al buje y el resto de la turbina eólica, así como reduciendo el riesgo de que las palas se desvíen hasta un grado, donde pueden colisionar con la torre de la turbina eólica durante la rotación del rotor. Adicionalmente, las fibras de carbono son compatibles con las resinas epoxi, así proporcionando una buena unión mecánica en el material de matriz. En general, el uso de fibras de carbono hace posible fabricar palas más largas o más ligeras, en comparación con, por ejemplo, palas reforzadas con fibra de vidrio sin doblar previamente las palas para separarlas de la torre en su estado sin tensión.
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Es evidente que la pala de la turbina eólica se forma como una estructura alargada que tiene una dirección longitudinal. Tanto la estructura aerodinámica como la estructura de soporte de carga también están formadas, por lo tanto, como estructuras alargadas conectadas entre sí a lo largo de una superficie de conexión que se extiende en dirección longitudinal de la pala.
La cubierta aerodinámica puede ventajosamente formarse como una lámina delgada o relativamente delgada.
El primer material de refuerzo de fibra puede estar sustancialmente compuesto de fibras de carbono. Sin embargo, la tapa de larguero puede comprender, además, mallas híbridas que comprenden tanto fibras de carbono como fibras de vidrio. De acuerdo con una realización ventajosa, las fibras de refuerzo de la tapa de larguero comprenden al menos 25%, o al menos 30%, o al menos 35%, o al menos 40%, o al menos 50%, o al menos 60%, o al menos 70%, o al menos 80%, o al menos 90% de fibras de carbono. Las fibras de refuerzo pueden incluso estar completamente constituidas por fibras de carbono. En una realización ventajosa, se usan mallas híbridas que comprenden tanto fibras de vidrio como fibras de carbono, en donde aproximadamente el 35% en volumen de la cantidad total de fibras son fibras de carbono.
De acuerdo con una realización, el segundo material de refuerzo de fibra es fibras de vidrio. Las fibras de vidrio son compatibles con resinas con base de poliéster, así proporcionando una buena unión mecánica en el material de matriz. En consecuencia, la cubierta aerodinámica puede fabricarse de materiales relativamente baratos comparados con, por ejemplo, fibras de carbono y resinas basadas en epoxi.
De conformidad con una realización altamente ventajosa, una superficie externa de la cubierta aerodinámica está recubierta con un recubrimiento de gel. Los recubrimientos de gel se pueden aplicar fácilmente a compuestos basados en poliéster o viniléster, dado que el poliéster y el viniléster pueden unirse químicamente con el estireno del recubrimiento de gel. Por ello, la cubierta aerodinámica que comprende una resina con base de poliéster o viniléster como material de matriz tiene la ventaja de que el recubrimiento de gel puede aplicarse a la superficie externa de la cubierta durante la fabricación de la cubierta, por ejemplo, aplicando el recubrimiento de gel a la superficie del molde antes de colocar el material de refuerzo de fibra. Por ello, diversas operaciones de postmoldeo, tal como pintar la pala, pueden evitarse, por lo cual el proceso de fabricación puede simplificarse y reducir los costes.
Por lo tanto, se observa que la combinación de las tapas de larguero reforzadas con fibra de carbono conectadas a una cubierta aerodinámica ventajosamente fina fabricada en poliéster reforzado con fibra de vidrio y cubierta por un recubrimiento de gel proporciona la posibilidad de fabricar palas relativamente rígidas y más largas, en donde se simplifican las operaciones de moldeo posterior.
De acuerdo con una realización, la primera tapa de larguero se adhiere a la cubierta aerodinámica, de forma ventajosa, mediante un adhesivo basado en epoxi.
De acuerdo con otra realización, la estructura de soporte de carga además comprende una segunda tapa de larguero. En una realización ventajosa, la primera tapa de larguero y la segunda tapa de larguero están conectadas a través de al menos una primera banda de cizalla, ventajosamente también una segunda banda de cizalla. La primera banda de cizalla y/o la segunda banda de cizalla pueden ser ventajosamente una banda con forma de C o una banda con forma de I. Por lo tanto, es evidente que las tapas de larguero y las bandas pueden fabricarse por separado y luego conectarse posteriormente entre sí, por ejemplo, pegando las partes entre sí, con el fin de formar la estructura de soporte de carga. La cubierta aerodinámica puede luego conectarse a la estructura de soporte de carga.
De acuerdo con otra realización más, la cubierta aerodinámica está hecha de por lo menos una primera parte de cubierta, por ejemplo, una parte de cubierta del lado de succión, y una segunda parte de cubierta, por ejemplo, una parte de cubierta del lado de presión. La primera parte de cubierta y la segunda parte de cubierta pueden por ejemplo estar conectadas entre sí a lo largo de las líneas de ligado a lo largo de un borde anterior y un borde posterior de la pala de turbina eólica.
Es posible fabricar las primeras tapas de larguero por separado y conectarlas o adherirlas a las partes de cubierta. Por lo tanto, la primera tapa de larguero puede conectarse a la primera parte de cubierta, y la segunda tapa de larguero puede conectarse a la segunda parte de cubierta. A continuación, las partes de cubierta que comprenden las tapas de larguero pueden adherirse entre sí con las bandas de cizalla dispuestas entre las tapas de larguero.
En una realización alternativa, la estructura de soporte de carga es un larguero o una viga. Esto proporciona una realización alternativa, en donde la estructura de soporte de carga puede formarse como una sola estructura integral, por ejemplo, un larguero cilíndrico circular o con forma de caja, y la cubierta aerodinámica fina se adhiere a la estructura de soporte de carga después.
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La presente divulgación proporciona, además, un método para fabricar una pala de turbina eólica, en donde el método comprende las etapas de: a) fabricar una estructura de soporte de carga que incluye por lo menos una primera tapa de larguero como un objeto reforzado con fibra que comprende un primer material de refuerzo de fibra y un primer material de matriz, b) fabricar una cubierta aerodinámica como un material de refuerzo de fibra que comprende un segundo material de refuerzo de fibra y un segundo material de matriz, y c) conectar la estructura de soporte de carga a la cubierta aerodinámica, en donde el segundo material de matriz es un poliéster o viniléster, y el primer material de matriz es un material polimérico distinto al poliéster o viniléster.
De acuerdo con una realización ventajosa del método, la etapa a) incluye la etapa de suministrar y curar la primera resina para formar la estructura de soporte de carga. En otra realización ventajosa, la etapa b) incluye la etapa de suministrar y curar el poliéster o el viniléster con el fin de formar la cubierta aerodinámica. En aún otra realización ventajosa, la etapa c) comprende la etapa de adherir la estructura de soporte de carga a la cubierta aerodinámica, por ejemplo, a través de un adhesivo con base de epoxi.
La primera tapa de larguero y/o la cubierta aerodinámica pueden fabricarse ventajosamente mediante un proceso de moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM). La cubierta aerodinámica puede fabricarse en una primera parte del molde. La primera tapa de larguero puede fabricarse en una segunda parte del molde. Si la cubierta aerodinámica se fabrica como partes de cubierta separadas, tal como una parte de cubierta del lado de presión y una parte de cubierta del lado de succión que posteriormente se adhieren entre sí a lo largo del borde anterior y el borde posterior de la pala, las partes de la cubierta separadas por supuesto pueden ser fabricadas en primeras partes del molde separadas.
Adicionalmente, queda claro que las diversas estructuras compuestas en un método VARTM pueden utilizar una estructura de molde que comprende una parte de molde rígida y una bolsa de vacío sellada a la parte de molde rígida con el fin de formar una cavidad de molde entre ellas. El material de refuerzo de fibra está dispuesto en la cavidad del molde, y el material de matriz, es decir, la resina, se suministra a la cavidad del molde.
La resina puede proporcionarse en combinación con el material de refuerzo de fibra como preimpregnados. Como alternativa, el material de refuerzo de fibra puede disponerse en forma seca y la resina se puede suministrar a continuación. También es posible utilizar una combinación de preimpregnados y resina adicional suministrada al material de refuerzo de fibra para mejorar la humectación.
En una realización, la etapa a) comprende, además, la etapa de fabricar una segunda tapa de larguero así como una o más bandas de cizalla y conectar dichas una o más bandas de cizalla entre la primera tapa de larguero y la segunda tapa de larguero. En otra realización, la etapa b) incluye la etapa de proporcionar un recubrimiento de gel a una superficie externa de la cubierta aerodinámica.
Habitualmente, el recubrimiento de gel se aplicará en la superficie de conformación del molde antes de que el material de refuerzo de fibra se disponga en el molde.
Según otro aspecto, la presente divulgación también proporciona una tapa de larguero prefabricada para conectar a una cubierta aerodinámica, la tapa de larguero que comprende una estructura alargada orientada a lo largo de un eje longitudinal y que tiene una primera superficie para conectar a una cubierta aerodinámica, una segunda superficie opuesta a la primera superficie, un primer lado y un segundo lado opuesto al primer lado, en donde la tapa de larguero comprende un laminado principal que comprende una cantidad de capas de refuerzo de fibra entre la primera superficie y la segunda superficie y están integradas en una matriz polimérica, y en donde la tapa de larguero comprende además un primer material de núcleo intercalado en el primer lado de la tapa de larguero y contiguo al laminado principal, el primer material de núcleo intercalado estando ahusado en una dirección hacia el laminado principal para proporcionar una transición gradual entre el primer material de núcleo y el laminado principal.
Esta tapa de larguero prefabricada proporciona una transición de rigidez y una transición de tensión mejoradas, cuando está unida a una cubierta aerodinámica. Esto, en particular, se refiere a la unión a las cubiertas aerodinámicas que tienen una estructura intercalada con un material de núcleo intercalado, p. ej., adjunto a la tapa de larguero previamente fabricada en la pala final de turbina eólica.
El primer material de núcleo intercalado puede estar intercalado entre un revestimiento interior y exterior. Los términos "interior" y "exterior" deben entenderse en relación con la pala de la turbina eólica terminada. Por lo tanto, el revestimiento interior es el lado orientado hacia el interior de la pala cuando se une a la cubierta aerodinámica, mientras que el revestimiento exterior es la cara orientada hacia la cubierta aerodinámica.
De acuerdo con una realización ventajosa, la tapa de larguero prefabricada puede comprender, además, un segundo material de núcleo intercalado en el segundo lado de la tapa de larguero y adyacente al laminado principal, el segundo material de núcleo intercalado estando ahusado en una dirección hacia el laminado principal para proporcionar una transición gradual entre el segundo material de núcleo y el laminado principal. En consecuencia, se
observa que la tapa de larguero puede fabricarse con un laminado principal dispuesto centralmente y un material de núcleo intercalado en ambos lados de la tapa de larguero.
Por laminado principal se entiende una inserción de fibra que comprende preferiblemente una pluralidad de capas de refuerzo de fibra que forman una estructura de soporte de carga de la pala de la turbina eólica acabada.
5 El primer material de núcleo puede estar ahusado adicionalmente hacia el primer lado de la tapa de larguero. El segundo material de núcleo también puede ahusarse hacia el segundo lado de la tapa de larguero. Por lo tanto, se observa que el material de núcleo puede estar en forma de cuña en sección transversal o una cuña doble.
El laminado principal también puede ahusarse hacia el primer lado y/o el segundo lado. Esto puede lograrse, por ejemplo, al dejar que los bordes laterales de las capas de refuerzo de fibra se desplacen mutuamente y/o dejando 10 que el ancho de las distintas capas varíe a través del grosor del laminado principal. Esto proporciona una realización particularmente ventajosa, en donde se logra una transición de rigidez gradual entre el material de núcleo intercalado y el laminado principal. Además, los lados de las capas individuales pueden estar ahusados o achaflanados.
El material de núcleo intercalado puede ser, por ejemplo, madera de balsa o un polímero espumado.
La transición entre el laminado principal y el primer material de núcleo intercalado y/o el segundo material de núcleo 15 intercalado puede estar en ángulo en un ángulo de ahusamiento de 10 a 80 grados. El término prefabricado significa que la tapa de larguero se fabrica por separado antes de estar conectada, p. ej., por adhesión, a la cubierta aerodinámica. La tapa de larguero prefabricada se puede consolidar previamente o, preferentemente, curarse previamente.
Es evidente que el producto intermedio de la tapa de larguero provisto de los labios o alas es nuevo e inventivo en sí 20 mismo. Por lo tanto, de acuerdo con aún otro aspecto, la invención proporciona una tapa de larguero prefabricada para conectar a una cubierta aerodinámica, la tapa de larguero que comprende una estructura alargada orientada a lo largo de un eje longitudinal y que tiene una primera superficie para conectar a una cubierta aerodinámica, una segunda superficie opuesta a la primera superficie, un primer lado, y un segundo lado opuesto al primer lado, en donde la primera tapa de larguero comprende un primer labio dispuesto a lo largo del primer lado de la primera tapa 25 de larguero, y un segundo labio dispuesto a lo largo del segundo lado de la primera tapa de larguero.
El primer labio y el segundo labio se forman como salientes que se extienden desde y a lo largo del primer lado y del segundo lado de la primera tapa de larguero. El primer labio y el segundo labio pueden formarse como estructuras reforzadas con fibra.
Es evidente que los aspectos antes mencionados de la invención pueden combinarse de cualquier manera y están 30 vinculados por el aspecto común de separar la fabricación de la cubierta aerodinámica y la estructura de soporte de carga. También está claro que la tercera, la cuarta y quinta realización además están vinculadas por un concepto inventivo común para formar una pala al proporcionar un rebaje en la cubierta aerodinámica para insertar y unir una tapa de larguero así como productos intermedios particularmente adecuados para dicho diseño.
Es evidente que la invención es especialmente adecuada para estructuras grandes. En consecuencia, la invención 35 se refiere, preferentemente, a palas de turbina eólica, así como a estructuras intermedias que tienen una longitud total de por lo menos 30 metros, 40 metros, 45 metros o 50 metros.
La presente divulgación también contempla una pala de turbina eólica que comprende un número de palas, p. ej., dos o tres, de conformidad con cualquiera de los aspectos y realizaciones anteriormente mencionados.
Breve descripción de los dibujos
40 La invención se explica en detalle a continuación con referencia a una realización mostrada en los dibujos, en los que
la Fig. 1 muestra una turbina eólica,
la Fig. 2 muestra una vista esquemática de una pala de turbina eólica
la Fig. 3 muestra una parte de cubierta aerodinámica y una tapa de larguero dispuesta en un molde,
45 la Fig. 4 muestra una primera realización para fabricar una parte de cubierta aerodinámica según la invención,
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la Fig. 5 muestra una segunda realización para fabricar una parte de cubierta aerodinámica según la invención,
la Fig. 6 muestra una realización para la fabricación de una tapa de larguero
la Fig. 7 muestra una primera realización de una tapa de larguero
las Figs. 8a y 8b muestran una segunda y tercera realización de una tapa de larguero
la Fig. 9 muestra otra realización para fabricar una pala de turbina eólica
la Fig. 10 muestra una primera realización de un estuche de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica,
la Fig. 11 muestra una segunda realización de un estuche de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica,
la Fig. 12 muestra una tercera realización de un estuche de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica, y la Fig. 13 muestra una cuarta realización de un estuche de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica.
Descripción detallada de la invención
La Fig. 1 ilustra una turbina eólica frente al viento moderna convencional de acuerdo con el denominado "Concepto danés" con una torre 4, una góndola 6 y un rotor con un árbol de rotor sustancialmente horizontal. El rotor incluye un buje 8 y tres palas 10 que se extienden radialmente desde el buje 8, cada una teniendo una raíz de pala 16 próxima al buje y una punta de pala 14 más alejada del buje 8. El rotor tiene un radio indicado por R.
La Fig. 2 muestra una vista esquemática de una primera realización de una pala 10 de turbina eólica. La pala 10 de turbina eólica tiene la forma de una pala de turbina eólica convencional y comprende una zona de raíz 30 más cercana al buje, una zona perfilada o aerodinámica 34 más alejada del buje y una zona de transición 32 entre la zona de raíz 30 y la zona aerodinámica 34. La pala 10 comprende un borde anterior 18 que mira en la dirección de giro de la pala 10, cuando la pala se monta sobre el buje, y un borde posterior 20 que mira en la dirección opuesta al borde anterior 18.
La zona aerodinámica 34 (también llamada la zona perfilada) tiene una forma de pala ideal o casi ideal con respecto a la generación de elevación, mientras que la zona de raíz 30 debido a consideraciones estructurales tiene una sección transversal sustancialmente circular o elíptica, que por ejemplo hace más fácil y más seguro montar la pala 10 en el buje. El diámetro (o la cuerda) de la zona de raíz 30 puede ser constante a lo largo de toda la zona de raíz 30. La zona de transición 32 tiene un perfil de transición que cambia gradualmente desde la forma circular o elíptica de la zona de raíz 30 al perfil aerodinámico de la zona aerodinámica 34. La longitud de cuerda de la zona de transición 32 se incrementa típicamente con el incremento de la distancia r desde el buje. La zona aerodinámica 34 tiene un perfil aerodinámico con una cuerda que se extiende entre el borde anterior 18 y el borde posterior 20 de la pala 10. El ancho de la cuerda disminuye con el incremento de la distancia r desde el buje.
Un reborde 40 de la pala 10 se define como la posición, donde la pala 10 tiene su longitud de cuerda más grande. El reborde 40 se proporciona, típicamente, en el límite entre la zona de transición 32 y la zona aerodinámica 34.
Debería observarse que las cuerdas de diferentes secciones de la pala no reposan normalmente en un plano común, dado que la pala puede retorcerse y/o curvase (es decir, predoblarse), proporcionando así al plano de la cuerda una trayectoria retorcida y/o curvada correspondientemente, siendo este el caso más frecuente para compensar que la velocidad local de la pala dependa del radio desde el buje.
La pala se fabrica de forma típica a partir de una parte 36 de cubierta del lado de presión y una parte 38 de cubierta del lado de succión que están pegadas entre sí a lo largo de líneas de unión en el borde anterior 18 y el borde posterior de la pala 20.
La Fig. 3 muestra una vista en sección transversal a través de una primera parte 150 de molde para usar en un método de fabricación de una pala de turbina eólica. La primera parte 150 de molde comprende una primera superficie de moldeo, que define una superficie exterior de la pala de turbina eólica terminada, aquí mostrada como el lado de presión de la pala.
Un número de primeras capas de fibra, partes del núcleo y secciones de refuerzo están dispuestas en la superficie de conformación, estas partes incluyéndose en una primera parte de cubierta aerodinámica (o parte de cubierta del lado de presión) 136 de la pala de turbina eólica. La parte 136 de cubierta aerodinámica puede fabricarse, por
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ejemplo, aplicando primero una sustancia cerosa a la superficie de moldeo para poder retirar la parte de cubierta después del moldeo. Después se puede aplicar un recubrimiento de gel a la superficie después de que una cantidad de capas exteriores de revestimiento 178, p. ej., hechas de capas de fibra de vidrio, se disponen en el molde. Un primer material de núcleo intercalado intermedio 182 y un segundo material de núcleo intercalado intermedio 184, tal como madera de balsa, se disponen sobre la parte superior de las capas exteriores de revestimiento 178 para formar una primera parte espesada 172 y una segunda parte espesada 174 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica, respectivamente. En efecto, se forma un primer rebaje 176 entre las dos partes espesadas 172, 174. Posteriormente, un número de capas internas de revestimiento 180, p. ej., fibras de vidrio, se dispone sobre la parte superior de las capas exteriores de revestimiento 178 y el primer y segundo material de núcleo intercalado intermedio 182, 184. Además, un número de capas de fibra, p. ej., fibras de vidrio, se pueden intercalar entre las capas de revestimiento exteriores 178 y las capas de revestimiento internas 180 para formar un refuerzo de borde anterior 192 y/o un refuerzo de borde posterior 194.
Por último, se aplica una bolsa de vacío (no mostrada) sobre la parte superior del material de fibra y el material intercalado y se precinta contra la primera parte 150 de molde para formar una cavidad de molde entre la primera parte 150 de molde y la bolsa de vacío. La cavidad de molde se evacua entonces mediante el uso de una fuente de vacío (no se muestra) y se suministra resina a la cavidad del molde mediante entradas de resina (no mostradas) para humedecer completamente el material de fibra. Finalmente, la resina se cura para formar la primera parte 136 de cubierta aerodinámica.
Después de fabricar la primera parte 136 de cubierta aerodinámica, una primera tapa de larguero 160 prefabricada se dispone en el primer rebaje 176 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica. La primera tapa de larguero 160 prefabricada de forma ventajosa puede haber sido fabricada con un primer labio o ala 166 que sobresale de un primer lado 162 de la primera tapa de larguero 160 y un segundo labio o ala 168 que sobresale de un segundo lado 164 de la primera tapa de larguero 160. La primera ala 166 y la segunda ala 168 limitan a tope con superficies internas de la primera parte espesada 172 y la segunda parte espesada 174 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica, respectivamente. La primera tapa de larguero 160 y la primera y la segunda ala 166, 168 pueden dimensionarse ventajosamente para que se forme una cavidad pequeña 186 entre la primera tapa de larguero 160 y la superficie interior del rebaje 176. Un adhesivo, tal como un pegamento con base de epoxi, se puede haber aplicado a la superficie del rebaje 176 antes de disponer la primera tapa de larguero 160 en el rebaje 176. Como alternativa, el adhesivo se puede inyectar en la cavidad y luego curarse, para unir la primera tapa de larguero 160 al rebaje 176 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica. Las alas 166, 168 pueden actuar como una barrera de pegamento para que solamente se pueda inyectar el pegamento necesario en la cavidad o que el exceso de pegamento puede retirarse inyectando pegamento desde un extremo longitudinal de la cavidad 186 y recolectar el exceso de pegamento en un segundo extremo de la cavidad. Queda claro que las alas 166, 168 no se tienen que extender necesariamente a lo largo de toda la extensión longitudinal de la tapa de larguero, sino que solo necesitan ubicarse en diversas secciones de la tapa de larguero.
La primera tapa de larguero 160 se extiende en una dirección longitudinal de la pala y forma una estructura de soporte de carga de la pala terminada.
Tal como se muestra en la Fig. 3, los lados de la primera parte espesada 182 y la segunda parte espesada 184 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica se ahúsan hacia el primer rebaje 176. De manera equivalente el espesor de la tapa de larguero 160 se ahúsa hacia el primer lado 162 y el segundo lado 164 de la tapa de larguero 160. Preferentemente, el rebaje 176 y la tapa de larguero 160 se forman de manera que los lados de los mismos sustancialmente se apoyan entre sí para obtener una transición gradual entre las dos estructuras.
También es evidente que la tapa de larguero 160 puede suministrarse sin las alas 166, 168. La cavidad entre la tapa de larguero y el rebaje puede seguir estando formada por los lados ahusados de la tapa de larguero y el rebaje, por ejemplo, al hacer la superficie inferior de la tapa de larguero ligeramente más ancha que la superficie inferior del rebaje.
La Fig. 3 se ha descrito con respecto a una parte 136 de cubierta del lado de presión y una primera tapa de larguero 160. De forma equivalente una parte de cubierta del lado de succión así como una segunda tapa de larguero se fabrican por separado y se unen mediante adhesión entre sí. La cubierta del lado de succión también comprende un rebaje, y la segunda tapa de larguero está dispuesta en el rebaje de la parte de cubierta del lado de succión. Las dos partes de cubierta (con tapas de larguero unidas) se conectan a continuación entre sí, por ejemplo, formando líneas de unión a lo largo del borde anterior y el borde posterior de las partes de cubierta y adherirlas entre sí. Además, las bandas de cizalla pueden disponerse entre las tapas de larguero en forma de, por ejemplo, bandas conformadas en forma de I o en forma de C. En esta configuración, las tapas de larguero se adhieren así a las partes de cubierta antes de unir las bandas de cizalla.
La resina para formar la parte de cubierta aerodinámica es, preferentemente, una resina con base de éster vinílico o poliéster, dado que esto permite el uso de un recubrimiento de gel, en donde una cantidad de operaciones de moldeo posterior, como pintar, pueden ser evitadas.
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La Fig. 4 ilustra un primer método para formar el primer rebaje 176 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica. En esta realización, un inserto simulado 190 está dispuesto entre las dos partes espesadas 172, 174. El inserto simulado tiene prácticamente una forma que corresponde a la de la primera tapa de larguero 160. Preferentemente, el inserto simulado es ligeramente mayor que la tapa de larguero 160 con el fin de asegurar que la tapa de larguero 160 pueda, claramente, encajar después en el rebaje 176. Cuando se fabrica la primera parte 136 de cubierta aerodinámica, se aplica una bolsa de vacío sobre la parte superior del material de fibra, material de núcleo intercalado y el inserto simulado 190. Aplicando un vacío a la cavidad de vacío formada entre la bolsa de vacío 188 y la primera parte 150 de molde, el inserto simulado 190 se presiona contra el material de fibra, y así, se deja la impresión deseada. Utilizando el inserto simulado 190 se asegura que el rebaje 176 está correctamente alineado y que el material de fibra y el material de núcleo intercalado no se deslizan hacia abajo durante la acumulación. Luego se retira por supuesto el inserto simulado 190 y antes de unir la primera tapa de larguero 160.
La Fig. 5 ilustra un segundo método para formar el primer rebaje 176 de la primera parte 136 de cubierta aerodinámica. En esta realización, un primer inserto lateral 196 y un segundo inserto lateral 198 se utilizan en su lugar para formar un primer lado y un segundo lado del primer rebaje 176, respectivamente. La primera parte de cubierta aerodinámica puede ser la descrita en relación con las otras realizaciones, puede fabricarse mediante un proceso de moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) disponiendo una bolsa de vacío sobre la parte superior del material de fibra, el material de núcleo intercalado e insertos laterales.
Las Figs. 10-13 muestran varias realizaciones de estuches de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica de conformidad con la invención.
Las Figs. 10a-c muestran una primera realización del estuche de partes de conformidad con la invención. El estuche de partes comprende una primera parte 250 de molde y un número de insertos simulados 290. Los insertos simulados 290 se proporcionan con pasadores guía 291, los cuales pueden acoplarse mecánicamente con orificios 252 proporcionados en la primera superficie de conformación de la primera parte 250 de molde. Después de que las capas de fibra que forman capas de revestimiento de la cubierta aerodinámica se han depositado, los insertos simulados 290 son como se muestra en las Figs. 10b y 10c unidos a la primera parte del molde insertando los pasadores guía 291 de los insertos simulados 290 en los orificios 252 de la primera parte 250 de molde. Posteriormente, las partes restantes que conforman la cubierta aerodinámica pueden disponerse sobre la primera superficie de conformación de la primera parte 250 de molde. La función de los insertos simulados 290 es mantener el material en los lados de la parte 250 de molde de manera que dicho material no se deslice hacia abajo y ocasione arrugas en la estructura terminada. Adicionalmente, funcionan de una manera tal para controlar con precisión la posición del rebaje en la parte de la cubierta aerodinámica terminada. Los insertos simulados 290 pueden proporcionarse como los mostrados en la Fig. 10a como módulos separados, cada uno de las cuales se extiende a lo largo de diferentes partes longitudinales del rebaje. El inserto simulado puede disponerse, además, con una separación mutua, tal como se muestra en la Fig. 10a.
Las Figs. 11a-c muestran una segunda realización del estuche de partes de conformidad con la invención. La segunda realización es similar a la primera realización, y los números similares se refieren a partes similares. Sin embargo, en esta realización, una cantidad de primeros insertos laterales 296 y segundos insertos laterales 298 se usan en su lugar para formar un primer lado y un segundo lado del primer rebaje. Cada una de las partes de inserto pueden estar unidas a la superficie de conformación mediante pasadores guía o barras 293 para acoplar orificios en la superficie de conformación de la primera parte 250' de molde.
La Fig. 12 muestra una vista en perspectiva de una tercera realización del estuche de partes de conformidad con la invención. La tercera realización es similar a la primera realización, y los números similares se refieren a partes similares. La tercera realización difiere de la primera realización en que los insertos seccionados 390 están unidos entre sí de manera que juntos corresponden al rebaje completo en la parte de cubierta aerodinámica terminada. En la realización mostrada, los insertos solamente tienen una forma correspondiente a la parte inferior de la tapa de larguero que se inserta en la parte de cubierta aerodinámica. Sin embargo, pueden emplearse diversas formas. Evidentemente, también es posible utilizar una combinación de la primera y la tercera realización al permitir que algunos insertos se unan entre sí y otros insertos se dispongan con una separación mutua entre ellos.
La Fig. 13 muestra una vista en perspectiva de una cuarta realización del estuche de partes de conformidad con la invención, que es similar a la segunda realización, y en donde los números similares se refieren a partes similares. La cuarta realización difiere en que unos primeros insertos laterales 396 individuales están dispuestos para unirse entre sí y formar juntos el primer lado del rebaje, mientras que unos segundos insertos laterales 398 individuales están dispuestos para unirse entre sí y juntos forman el segundo lado del rebaje.
Los orificios en la superficie de conformación de la primera a la cuarta realización, se pueden proporcionar con una bomba de vacío para aplicar vacío, cuando se aplica vacío a la cavidad del molde. Los orificios pueden estar provistos de una válvula, que se puede cerrar cuando la resina se inyecta posteriormente en la cavidad del molde. Después del curado las válvulas pueden volver a abrirse para que los insertos puedan retirarse de nuevo fácilmente.
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Los insertos pueden estar hechos de aluminio o de un material de polipropileno, u otro material, al cual no se adhiere la resina. Los insertos pueden tratarse con cera o un material no deslizante para retirar fácilmente los insertos.
El uso de orificios de guía dejará un orificio en la parte de la cubierta aerodinámica. Sin embargo, este orificio se llenará con resina o adhesivo, cuando la tapa de larguero se inserta posteriormente y se une a la parte de la cubierta aerodinámica. Puede ser necesario llevar a cabo la reparación de la luz después del desmoldeo, por ejemplo, mediante el uso de una simple reparación del recubrimiento de gel.
Adicionalmente, las secciones de inserto de las realizaciones mostradas en las Figs. 10 y 11 pueden estar conectadas por un material flexible, por ejemplo, entre los lados de los insertos seccionados, de manera que el material flexible junto con las secciones de inserto forman partes laterales continuas. Estas partes laterales continuas pueden ayudar a proporcionar límites que ayuden a acumular el material de fibra y el material de núcleo intercalado, de ese modo, se facilita una posición muy precisa del rebaje. La unidad combinada con secciones de inserto y material flexible interconectado se puede disponer en el molde similar a listones colocados en un bastidor de lecho.
La Fig. 6 muestra una vista en sección transversal a través de una parte de molde de tapa de larguero 161 para usar en un método para fabricar la primera tapa de larguero 160. La parte de molde de tapa de larguero 161 comprende una superficie de conformación que corresponde a la superficie exterior de la primera tapa de larguero 160. Varias capas de refuerzo de fibra (no mostradas) están dispuestas en la parte superior de la superficie de conformación después de la cual se aplica una bolsa de vacío 163 sobre las capas de refuerzo de fibra para formar una cavidad 165 de molde entre la, ventajosamente rígida, segunda parte 161 de molde y la bolsa de vacío 163. La cavidad 165 de molde se evacua entonces mediante el uso de una fuente de vacío (no mostrada), después de la cual se suministra resina a la cavidad 165 de molde mediante entradas de resina (no se muestran) para humedecer el material de refuerzo de fibra. Finalmente, la resina se cura o se consolida al menos previamente para formar la primera tapa de larguero 160 prefabricada.
La Fig. 7 muestra una primera realización de una tapa de larguero. En esta realización, toda la tapa de larguero está constituida por un polímero reforzado con fibra, de forma ventajosa fibras de carbono incrustadas en un material de matriz epoxi. Por ello, toda la estructura de tapa de larguero constituye la estructura de soporte de carga (o laminado principal) conectada a la parte de cubierta aerodinámica de la pala.
La Fig. 8a muestra una segunda realización de una tapa de larguero. Esta realización difiere de la primera realización en que un primer material de núcleo intercalado 167 se proporciona en el primer lado 162 de la tapa de larguero 160, y un segundo material de núcleo intercalado 169 se proporciona en el segundo lado 164 de la tapa de larguero. Por lo tanto, la parte central de la tapa de larguero 160 que comprende una pluralidad de capas de refuerzo de fibra apiladas, preferiblemente que comprende fibras de carbono, constituye la estructura de soporte de carga (o laminado principal) conectada a la parte de cubierta aerodinámica de la pala. En una realización ventajosa, el primer y el segundo material de núcleo intercalado 167, 169 son un polímero espumado. Esto proporciona la ventaja de que la madera de balsa de la parte espesada de la cubierta aerodinámica puede aislarse eléctricamente de las fibras de carbono del laminado principal de la tapa de larguero. La parte espesada de la cubierta aerodinámica puede también comprender un polímero espumado, al menos en la región cercana al rebaje y la tapa de larguero, con el fin de asegurar el aislamiento eléctrico.
La Fig. 8b muestra una tercera realización de una tapa de larguero. Esta realización corresponde a la segunda realización donde los números de referencia similares se refieren a partes similares. La tercera realización difiere de la segunda realización en que el material de núcleo intercalado 167', 169 'en los lados 162', 164' se ahúsa de modo que se extienda en el laminado principal con capas de fibra dispuestas tanto interiores como exteriores al material ahusado.
La Fig. 9 muestra otra realización para fabricar una pala de turbina eólica.
Esta realización corresponde a la realización descrita en relación con la Fig. 3, pero con la diferencia de que la estructura de soporte de carga se ensambla antes de unirse a la primera parte de cubierta. En consecuencia, la estructura de soporte de carga que comprende la primera tapa de larguero 160, una segunda tapa de larguero 260, así como una primera banda de cizalla 197 y una segunda banda de cizalla 199 se ensambla por separado antes de adherirse a la primera parte de la cubierta aerodinámica. Posteriormente, la segunda parte de cubierta aerodinámica (no mostrada) está dispuesta en la parte superior de la estructura de soporte de carga y la primera parte de cubierta aerodinámica para que la segunda tapa de larguero 260 se adhiera a un rebaje de la segunda parte de cubierta aerodinámica, y la primera y la segunda parte de cubierta se adhieren entre sí a lo largo de líneas de unión en el borde anterior y el borde posterior de las partes de la cubierta.
La invención se ha descrito haciendo referencia a realizaciones ventajosas. Sin embargo, el alcance de la invención no se limita a la realización ilustrada, y las alteraciones y modificaciones se pueden llevar a cabo sin desviarse del
alcance de la invención. La pala de turbina eólica se ha descrito, por ejemplo, solo con un único rebaje y una tapa de larguero en cada lado de la pala. Sin embargo, particularmente para palas muy grandes, la pala puede comprender estructuras de soporte de carga adicionales (o laminados principales). En consecuencia, las realizaciones que tienen una sección longitudinal, en donde la cubierta aerodinámica comprende dos o más rebajes en cada lado, con tapas 5 de larguero fabricadas por separado dispuestas en y unidas a los rebajes, también están contempladas por la
invención. En la descripción, la unión entre la tapa de larguero y la cubierta aerodinámica se ha descrito como un adhesivo basado en epoxi. Sin embargo, en una realización alternativa, la tapa de larguero se recubre con una imprimación antes de colocarse en el rebaje de la cubierta aerodinámica. La imprimación puede proveer una unión química con el viniléster o el poliéster de la cubierta aerodinámica. Por lo tanto, el curado de la cubierta de pala 10 puede realizarse después de que la tapa de larguero ha sido dispuesta para proporcionar la unión a la tapa de
larguero. Así mismo, es posible infundir el poliéster o el viniléster después y luego curar la estructura.
Lista de números de referencia
2
turbina eólica
4
torre
6
góndola
8
buje
10
pala
14
punta de pala
16
raíz de pala
18
borde anterior
20
borde posterior
22
eje de paso
30
zona de raíz
32
zona de transición
34
zona aerodinámica
36, 136
cubierta del lado de presión
38
cubierta del lado de succión
40
reborde
150
primera parte de molde
160
primera tapa de larguero
161
molde de tapa de larguero
162
primer lado de primera tapa de larguero
163
bolsa de vacío
164
segundo lado de la primera tapa de larguero
165
cavidad de molde
166
primer labio/primera ala/primer saliente
167
primer material de núcleo intercalado
168
segundo labio/segunda ala/segundo saliente
169
segundo material de núcleo intercalado
170
primera parte de cubierta aerodinámica / parte de cubierta del lado de presión
172
primera parte espesada
174
segunda parte espesada
176
primer rebaje
178
capa(s) de revestimiento exterior
180
capa(s) de revestimiento interior
182
primer material de núcleo intercalado intermedio
184
segundo material de núcleo intercalado intermedio
186
cavidad entre primera tapa de larguero y el rebaje de la primera cubierta aerodinámica
188
bolsa de vacío
190
inserto simulado
192
refuerzo de borde anterior
194
refuerzo de borde posterior
196
primer inserto lateral
197
primera banda de cizalla
198
segundo inserto lateral
199
segunda banda de cizalla
250, 250', 350, 350'
primera parte de molde
252, 293, 295, 352, 393, 395
orificios de guía
260
segunda tapa de larguero
290, 390
insertos simulados
296, 396
primeros insertos laterales
298, 398
segundos insertos laterales

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. Un método para fabricar una parte (170) de cubierta aerodinámica para una pala (10) de turbina eólica, la parte de cubierta aerodinámica que comprende un rebaje (176) para la disposición y conexión de una tapa de larguero (160) dentro de dicho rebaje, comprendiendo dicho método las etapas de:
    a) proporcionar una primera parte (150) de molde que tiene una primera superficie de conformación que define una parte de un exterior de la parte de cubierta aerodinámica,
    b) acumular un material de refuerzo de fibra y, además, material de núcleo intercalado (167, 169) en el primer molde en la primera superficie de conformación,
    c) disponer uno o más insertos (190, 196, 198) que tienen una forma exterior correspondiente a al menos los lados del rebaje de la parte de cubierta aerodinámica,
    d) suministrar resina a dicho material de refuerzo de fibra y material de núcleo intercalado,
    e) curar o consolidar previamente la resina, y
    f) retirar el uno o más insertos.
  2. 2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el uno o más insertos tienen una forma exterior que corresponde al menos a una superficie exterior de la tapa de larguero.
  3. 3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el uno o más insertos comprenden un primer inserto que forma al menos una parte de un primer lado del rebaje, y un segundo inserto que forma al menos una parte de un segundo lado del rebaje.
  4. 4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde un material de liberación, tal como una sustancia cerosa, se aplica a dicho uno o más insertos para evitar que dicho uno o más insertos se adhieran al material de la cubierta aerodinámica.
  5. 5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el método comprende el uso de infusión por vacío.
  6. 6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde se aplica una bolsa de vacío sobre el material de refuerzo de fibra y el material de núcleo intercalado opcional, así como uno o más insertos y se sella a la primera parte de molde.
  7. 7. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde se aplica una primera bolsa de vacío sobre el material de refuerzo de fibra y el material de núcleo intercalado opcional, y en donde el uno o más insertos se disponen encima de la primera bolsa de vacío, y en donde una segunda bolsa de vacío está dispuesta sobre la parte superior del uno o más insertos.
  8. 8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el uno o más insertos se extienden a lo largo de toda la extensión longitudinal del rebaje.
  9. 9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde el uno o más insertos forman una sección longitudinal separada del rebaje.
  10. 10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el uno o más insertos se disponen de manera que se unen entre sí.
  11. 11. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el uno o más insertos se disponen con una separación mutua en la dirección longitudinal.
  12. 12. Un estuche de partes para fabricar una parte de cubierta aerodinámica de una pala de turbina eólica, la parte de cubierta aerodinámica que comprende un rebaje para la disposición y conexión de una tapa de larguero dentro de dicho rebaje, el estuche de partes que comprende:
    - una primera parte de molde que tiene una primera superficie de conformación que define una parte de un exterior de la parte de cubierta aerodinámica, y
    - uno o más insertos que tienen una forma exterior correspondiente a por lo menos lados del rebaje de la parte de cubierta aerodinámica.
  13. 13. Un estuche de partes de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la primera parte de molde comprende medios de alineación, tales como marcas, para disponer y alinear el uno o más insertos en la primera superficie de
    5 conformación.
  14. 14. Un estuche de partes de acuerdo con la reivindicación 12 o 13, en donde la primera superficie de moldeo y el uno o más insertos están provistos de medios de conexión acoplados, de manera que el uno o más insertos se pueden conectar a la primera superficie de moldeo de la primera parte del molde.
  15. 15. Un estuche de partes de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la primera superficie de moldeo está 10 provista de aberturas, y en donde el uno o más insertos se proporcionan con medios de unión que pueden acoplarse
    con las aberturas en la primera superficie de moldeo.
ES13808033.8T 2012-12-18 2013-12-18 Un método para fabricar una parte de cubierta aerodinámica para una pala de turbina eólica Active ES2674663T3 (es)

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