ES2766824T3 - Viga compuesta estructural modular - Google Patents

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Paul Hayden
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Abstract

Viga compuesta modular estructural (10) que comprende: un par de bridas modulares de plástico reforzado con fibra que comprenden; un cuerpo formado por una pluralidad de elementos alargados (40) dispuestos en una matriz de manera que los ejes longitudinales de los elementos alargados son sustancialmente paralelos entre sí, en el que las dimensiones del cuerpo están determinadas sustancialmente por el número y la disposición de los elementos alargados en la matriz; y un elemento de revestimiento (20, 30) que rodea por lo menos parcialmente una pluralidad de elementos alargados en la matriz, caracterizado por el hecho de que el elemento de revestimiento comprende un receptáculo (34) para alojar, en funcionamiento, un larguero (50) insertado y encajado en el receptáculo respectivo en cada una de las dos bridas modulares y unido por medio de un adhesivo; en el que el par de bridas modulares están unidas entre sí por el larguero (50).

Description

DESCRIPCIÓN
Viga compuesta estructural modular
La presente invención se refiere a una viga compuesta estructural modular. En particular, la presente invención se refiere a una viga compuesta estructural modular para utilizarse en una pala de un aerogenerador.
Las palas grandes de un aerogenerador (> 35 m de longitud) se construyen típicamente formando una viga o cajón de larguero en voladizo de refuerzo y rigidez en el interior de un carenado aerodinámico. El enfoque actual para fabricar palas de aerogeneradores es producir cada pala como dos medias cubiertas con una viga separada, o como dos medias cubiertas con una viga integral. En ambos casos, las dos medias cubiertas se unen a lo largo de sus bordes para formar la pala completa.
La viga estructural comprende unas bridas en cada extremo las cuales están conectadas entre sí por uno o más largueros, comúnmente dos. Las bridas están realizadas en plástico reforzado con fibra predominantemente unidireccional y los largueros consisten en plástico reforzado con fibra predominantemente multiaxial (+/- 45°).
Es bien conocido en la técnica fabricar la viga moldeando las bridas en el interior de las medias cubiertas del carenado aerodinámico y después uniendo las bridas junto con los largueros cuando los carenados aerodinámicos están unidos entre sí. Alternativamente, la viga se fabrica moldeando una viga separada en una herramienta separada y después uniendo la viga en los carenados aerodinámicos cuando éstos están unidos.
Cada uno de estos procedimientos presenta una serie de deficiencias. En primer lugar, si la brida unidireccional de la viga se moldea en el interior del carenado, resulta difícil controlar con precisión la calidad del material de la brida. Esto generalmente da como resultado unas propiedades mecánicas deficientes del material de la brida, lo que, a su vez, aumenta la masa requerida para seguridad de ingeniería y, por lo tanto, aumenta el coste.
Si la viga se fabrica por separado moldeando sobre una herramienta separada, pueden evitarse algunas de las deficiencias anteriores. Sin embargo, el coste de la herramienta separada se suma al coste total del componente. En cualquier caso, si se requiere un nuevo diseño o una ligera variación en el diseño, se necesitan herramientas completamente nuevas, lo que aumenta el tiempo y el coste de la creación de prototipos, y también aumenta el coste de la introducción de nuevos modelos. Del mismo modo, si se considera el uso de automatización, el coste de automatización será elevado, puesto que deben poderse manejar una serie de diseños y geometrías de vigas diferentes.
En la solicitud de patente internacional publicada por el solicitante WO 2009/034291 se describe el diseño de una pala de aerogenerador modular. Esta solicitud describe una pala de aerogenerador que comprende una pluralidad de componentes estandarizados que permiten una flexibilidad de diseño, para la pala en su conjunto, mayor que las técnicas de fabricación tradicionales. Sin embargo, sólo proporciona opciones limitadas para modificar el diseño de la viga estructural. Un objetivo de la presente invención es proporcionar una viga compuesta estructural modular que proporcione una flexibilidad y una calidad de diseño mejoradas y que pueda utilizarse como parte de una pala de aerogenerador tradicional, como parte de una pala de aerogenerador modular, o en otras aplicaciones estructurales como puentes.
US 4662587 describe un procedimiento para fabricar un larguero de un ala de un avión compuesta mediante el uso de un par de juntas de larguero en combinación con un núcleo de nido de abeja.
Por consiguiente, en un primer aspecto, la presente invención presenta una viga de acuerdo con la reivindicación 1. Al construir el cuerpo de la brida a partir de una pluralidad de elementos alargados con un revestimiento exterior, el diseño de la brida puede variarse fácilmente variando el tamaño y la configuración de la matriz de elementos alargados y el elemento de revestimiento. La disposición de un elemento de revestimiento también proporciona un mejor rendimiento de carga a cizalladura. Además, el casquillo proporciona un procedimiento conveniente para acoplar la brida al larguero y transferir cargas entre la brida y el larguero.
En una realización preferida, por lo menos dos de los elementos alargados comprenden diferentes materiales. Esto permite variar fácilmente las propiedades mecánicas de la brida.
Con el fin de mejorar todavía más el rendimiento de la carga a cizalladura, por lo menos una capa de refuerzo se encuentra preferiblemente situada por lo menos parcialmente dentro de la matriz de elementos alargados.
El larguero comprende preferiblemente un núcleo estructural situado entre dos capas de material compuesto para proporcionar una mayor integridad estructural. Las capas de material compuesto son preferiblemente un material compuesto multiaxial. El larguero es ventajoso ya que puede montarse en la brida como un panel sándwich 'abierto' ya que el panel termina con el receptáculo del elemento de revestimiento. Esto significa que el (los) larguero(s) puede(n) realizarse en un proceso de producción continuo en lugar de un proceso de moldeo discontinuo (el cual se requeriría, de lo contrario, para 'cerrar' los extremos del panel sándwich), reduciendo de este modo los costes de producción y aumentando la flexibilidad.
En un segundo aspecto, la presente invención presenta un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7.
El procedimiento preferiblemente comprende, además: seleccionar un número y disposición de elementos alargados para definir las dimensiones del cuerpo; y seleccionar un elemento de revestimiento que está dimensionado para ajustarse sustancialmente a las dimensiones del cuerpo. De esta manera, pueden formarse fácilmente bridas de diferentes dimensiones y propiedades mecánicas a partir de componentes estandarizados sin necesidad de volver a utilizar las herramientas.
Preferiblemente, el elemento de revestimiento comprende un primer y un segundo elemento de revestimiento, presentando el primer elemento de revestimiento forma cóncava y estando dispuesto el segundo elemento de revestimiento para encajar dentro del primer elemento de revestimiento; comprendiendo el procedimiento, además: colocar el cuerpo dentro del primer elemento de revestimiento; y colocar el segundo elemento de revestimiento dentro del primer elemento de revestimiento para formar un elemento de revestimiento que rodea completamente el cuerpo.
Preferiblemente, cada componente de la brida modular o viga compuesta estructural se fabrica en un proceso de producción continuo. Esto reduce los costes de producción y mejora la calidad, ya que los procesos de producción continuos requieren menos tiempo y mano de obra y son más repetibles, lo que reduce desperdicios.
Antes de llevar a cabo el procedimiento, los elementos alargados y el elemento de revestimiento de la brida modular, y el por lo menos un larguero de la viga compuesta estructural, preferiblemente se encuentran en estado curado o semicurado y presenta su forma final. Por lo tanto, la forma y las dimensiones de los elementos alargados, el elemento de revestimiento y los largueros se determinan sustancialmente antes de montar la brida modular o la viga compuesta estructural. Además, las principales propiedades mecánicas de los elementos alargados, el elemento de revestimiento y los largueros se determinan sustancialmente antes de montar la brida modular o la viga compuesta estructural.
En un tercer aspecto, la presente invención presenta un kit de piezas de acuerdo con la reivindicación 12.
Los elementos alargados y los elementos de revestimiento del kit de piezas preferiblemente se encuentran en estado curado o semicurado y presentan su forma final.
Se describirá ahora un ejemplo de la presente invención con referencia a los siguientes dibujos, en los cuales:
La figura 1 muestra una vista esquemática en despiece de parte de una viga compuesta estructural modular; La figura 2 muestra una vista esquemática en sección de una brida de plástico modular reforzada con fibra y almas separadas;
La figura 3 muestra una vista esquemática en sección de parte de una viga compuesta estructural modular montada;
La figura 4 muestra una vista esquemática en sección de parte de una viga compuesta estructural modular montada alternativa; y
La figura 5 muestra una vista esquemática en sección de parte de otra viga compuesta estructural modular montada alternativa.
La figura 1 muestra una vista esquemática en despiece de una sección de una viga estructural compuesta modular 10. La viga 10 comprende un primer 20 y un segundo 30 elemento de revestimiento y una pluralidad de elementos alargados 40. Además, la viga 10 comprende dos largueros 50 que comprenden, cada una, un núcleo estructural 52 y unas capas de revestimiento externas 54.
Los núcleos estructurales 52 pueden estar realizados de cualquier material adecuado, incluyendo PVC, PET, madera de balsa o poliestireno extruido u otro material de núcleo estructural ampliamente conocido y utilizado en la técnica. Las capas de revestimiento externas 54 comprenden plástico reforzado con fibra predominantemente multiaxial (± 45°). Las capas de revestimiento externas 54 están unidas a los núcleos 52 mediante un adhesivo como un adhesivo estructural (tal como epoxi, poliuretano, acrílico, silicona) o con una resina como poliéster, viniléster, epoxi u otra resina estructural termoestable o termoplástica.
Los elementos alargados 40 comprenden plástico reforzado con fibra predominantemente uniaxial. Los elementos alargados son típicamente materiales compuestos unidireccionales 'preformados' tales como pultrusiones o material preimpregnado semicurado o tipos de materiales intermedios de modo que presenten su configuración o forma final antes de que se forme la brida 5 (véase figura 2). Tal como se muestra en la figura 1, los elementos alargados 40 están dispuestos en una matriz, en este caso una matriz de tres por tres, para formar un cuerpo 42 que forma el componente principal de soporte de cargas de la brida 5. Los elementos alargados 40 se adhieren juntos para formar el cuerpo 42 mediante adhesivo estructural o por laminado junto con resina estructural utilizando un proceso tal como laminado manual, infusión al vacío, consolidación al vacío o procesos de laminado similares utilizados en la técnica.
El primer y el segundo elemento de revestimiento 20, 30 comprenden, cada uno, plástico reforzado con fibra predominantemente multiaxial. El primer elemento de revestimiento 20 tiene forma cóncava en U y el segundo elemento de revestimiento 30 comprende unas proyecciones 32 que definen unos receptáculos 34 en cada borde exterior del segundo elemento de revestimiento 30. Los receptáculos 34 están dimensionados para recibir los bordes 56 de los largueros 50
Tal como se muestra en la figura 2, en la brida montada 5 el segundo elemento de revestimiento 30 encaja dentro del primer elemento de revestimiento 20. Los dos elementos de revestimiento 20, 30, forman juntos el elemento de revestimiento 60 que rodea completamente el cuerpo 42. En este ejemplo, 'que rodea completamente' significa que el elemento de revestimiento 60 rodea el cuerpo 42 pero no cubre los extremos del cuerpo 42.
Tal como también se muestra en la figura 2, el primer y el segundo elemento de revestimiento 20, 30 están dimensionados para adaptarse al cuerpo 42. Las dimensiones del cuerpo 42 están definidas por el número y la disposición de los elementos alargados en la matriz. En el ejemplo que se muestra en la figura 2, el cuerpo 42 comprende una matriz de tres por tres de manera que la profundidad del cuerpo 42 es sustancialmente la misma que tres veces la profundidad de los elementos alargados 40, y la anchura del cuerpo 42 es sustancialmente igual a tres veces la anchura de los elementos alargados 40.
La figura 3 muestra la brida 5 montada junto con los largueros 50. Los largueros encajan en los receptáculos 34 y se acoplan por medio de un adhesivo tal como un adhesivo epoxi estructural. Tal como se muestra, la posición de los largueros 50 en los receptáculos 34 'cierra' los extremos de los largueros 50. En la figura 3 sólo se muestra la sección superior de una viga en caja 10. Se apreciará que puede unirse otra brida 5 al lado inferior de los largueros 50 para formar la viga en caja completa 10. Además, los largueros 50 pueden presentar varias profundidades para variar la profundidad de la viga en caja 10. Esta profundidad puede variarse a lo largo de la viga para tener en cuenta, por ejemplo, la conicidad de una pala de aerogenerador.
La figura 4 muestra una configuración alternativa de una sección superior de una viga compuesta estructural modular 100. En este caso, la viga 100 es una viga en I que comprende sólo un larguero 50 situado en un receptáculo central 134 del segundo elemento de revestimiento 130. Los elementos alargados 40, 140 que forman el cuerpo 142 de la brida 105 comprenden diferentes materiales plásticos reforzados con fibra de manera que los elementos alargados 40 pueden comprender, por ejemplo, plástico reforzado con fibra de vidrio, y los elementos alargados 140 pueden comprender, por ejemplo, plástico reforzado con fibra de carbono. La disposición de los elementos alargados de material diferente 40, 140 que se muestra en la figura 4 es sólo un ejemplo y puede seleccionarse cualquier otra disposición dependiendo de las propiedades mecánicas deseadas.
La viga 100 comprende, además, unas capas de refuerzo 144 situadas entre las capas de elementos alargados 40, 140 en el cuerpo 42. Estas capas de refuerzo comprenden plástico reforzado con fibra predominantemente multiaxial (± 45°) y proporcionan resistencia al corte adicional a la brida 105. Pueden incluirse unas capas de refuerzo 144 en cualquiera de las configuraciones de vigas compuestas estructurales modulares descritas aquí.
La figura 5 muestra una configuración alternativa adicional de una sección superior de una viga compuesta estructural modular 200. Los elementos alargados 40 y el elemento de revestimiento 260 comprenden sólo un único elemento de revestimiento 220 que rodea parcialmente los elementos alargados 40a, 40b y 40c de la matriz.
Se apreciará que puede incluirse cualquier número de elementos alargados 40, 140 en la matriz que forma el cuerpo 42, 142, 242, y puede seleccionarse cualquier número de diferentes materiales plásticos reforzados con fibra en cualquier disposición deseada para los elementos alargados. De esta manera, las propiedades mecánicas de la brida 5, 105, 205 pueden variarse según se desee.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 2, si la anchura del cuerpo 42 permanece igual (tres elementos alargados de ancho) pero la profundidad varía (por ejemplo, dos elementos alargados de profundidad), pueden utilizarse los mismos elementos de revestimiento 20, 30 ya que la diferencia de profundidad se compensa por el hecho de que el segundo elemento de revestimiento 30 encaja en el primer elemento de revestimiento 20 hasta que llega al cuerpo 42. Si se desea, los lados 22 del primer elemento de revestimiento 20 pueden recortarse para eliminar la superposición con las proyecciones 32 del segundo elemento de revestimiento 30. Alternativamente, puede alojarse un cuerpo de mayor profundidad 42 (por ejemplo, cuatro o más elementos alargados profundos) mediante la capacidad de profundidad variable que viene dada por la interacción del primer y el segundo elemento de revestimiento 20, 30. En este caso, las proyecciones 32 del segundo elemento de revestimiento 30 pueden recortarse opcionalmente para eliminar la superposición con los lados 22 del primer elemento de revestimiento 20.
Si la anchura del cuerpo 42 varía (por ejemplo, dos elementos alargados de ancho), es deseable proporcionar elementos de revestimiento 20, 30 de un tamaño adecuado para adaptarse a la anchura del cuerpo 42. Los elementos alargados 40 presentan preferiblemente unas dimensiones estándar para que pueda proporcionarse un conjunto de tamaños estandarizados de elementos de revestimiento 20, 30 para adaptarse a diferentes matrices de elementos alargados.
Los componentes de plástico reforzado con fibra descritos anteriormente son típicamente plásticos reforzados con fibra de vidrio o plásticos reforzados con fibra de carbono tal como se conoce bien en la técnica. Sin embargo, puede utilizarse cualquier otro material plástico reforzado con fibra adecuado.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Viga compuesta modular estructural (10) que comprende:
un par de bridas modulares de plástico reforzado con fibra que comprenden;
un cuerpo formado por una pluralidad de elementos alargados (40) dispuestos en una matriz de manera que los ejes longitudinales de los elementos alargados son sustancialmente paralelos entre sí, en el que las dimensiones del cuerpo están determinadas sustancialmente por el número y la disposición de los elementos alargados en la matriz; y
un elemento de revestimiento (20, 30) que rodea por lo menos parcialmente una pluralidad de elementos alargados en la matriz, caracterizado por el hecho de que el elemento de revestimiento comprende un receptáculo (34) para alojar, en funcionamiento, un larguero (50) insertado y encajado en el receptáculo respectivo en cada una de las dos bridas modulares y unido por medio de un adhesivo;
en el que el par de bridas modulares están unidas entre sí por el larguero (50).
2. Viga de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que el larguero comprende un núcleo estructural (52) situado entre dos capas de material compuesto (54).
3. Viga de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que en cada brida el elemento de revestimiento (20, 30) rodea completamente la matriz de elementos alargados (40).
4. Viga de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que cada elemento de revestimiento comprende un primer y un segundo elemento de revestimiento, presentando el primer elemento de revestimiento (20) una forma cóncava y estando dispuesto el segundo elemento de revestimiento (30) para encajar dentro del primer elemento de revestimiento 30.
5. Viga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que por lo menos dos de los elementos alargados (40) en una brida comprenden materiales diferentes.
6. Viga de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que comprende, además, por lo menos una capa de refuerzo (44) situada por lo menos parcialmente dentro de la matriz de elementos alargados (40).
7. Procedimiento para formar una viga compuesta estructural modular, que comprende:
formar dos bridas modulares de plástico reforzado con fibra formando dos cuerpos a partir de una pluralidad de elementos alargados (40) dispuestos en una matriz de manera que los ejes longitudinales de los elementos alargados son sustancialmente paralelos entre sí, en el que las dimensiones de cada cuerpo están determinadas sustancialmente por el número y la disposición de los elementos alargados en la matriz;
conectar un elemento de revestimiento (20, 30) a cada cuerpo de manera que el elemento de revestimiento rodea por lo menos parcialmente una pluralidad de elementos alargados en la matriz, caracterizado por el hecho de que cada elemento de revestimiento comprende un receptáculo (34) para alojar, en funcionamiento, un larguero, y en el que el procedimiento comprende, además, formar una larguero (50) e insertar, encajar y fijar, por medio de un adhesivo, el larguero en el receptáculo respectivo (34) en cada una de las dos vigas modulares para formar la barra completa, y unir el par de bridas modulares entre sí mediante el larguero para formar la viga completa.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que comprende, además: seleccionar un número y disposición de elementos alargados (40) para definir las dimensiones del cuerpo; y seleccionar un elemento de revestimiento (20, 30) que está dimensionado para ajustarse sustancialmente a las dimensiones del cuerpo.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el elemento de revestimiento comprende un primer y un segundo elemento de revestimiento, presentando el primer elemento de revestimiento (20) forma cóncava y estando dispuesto el segundo elemento de revestimiento (30) para encajar dentro del primer elemento de revestimiento; comprendiendo el procedimiento, además:
colocar el cuerpo dentro del primer elemento de revestimiento (20); y
colocar el segundo elemento de revestimiento (30) dentro del primer elemento de revestimiento (20) para formar un elemento de revestimiento que rodea completamente el cuerpo.
10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por el hecho de que cada componente se realiza en un proceso de producción continuo.
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por el hecho de que, antes de llevar a cabo el procedimiento, los elementos alargados (40) y el elemento de revestimiento (20, 30) de la brida modular, y el por lo menos un larguero de la viga compuesta estructural, se encuentran en estado curado o semicurado y presentan su forma final.
12. Kit de piezas para formar una viga compuesta estructural modular, que comprende:
una pluralidad de elementos alargados (40) adecuados para formar dos bridas modulares de plástico reforzado con fibra, cada una de las cuales comprende una pluralidad de elementos alargados dispuestos en una matriz, en el que los ejes longitudinales de los elementos alargados son sustancialmente paralelos entre sí;
una pluralidad de elementos de revestimiento (20, 30) para cada brida modular, en el que la pluralidad de elementos de revestimiento están dimensionados para corresponder a múltiplos predeterminados de elementos alargados y comprenden un receptáculo para recibir, en funcionamiento, un larguero; y
un larguero (50) dispuesto para insertarse, encajar, y unirse por medio de adhesivo en el receptáculo respectivo en cada una de las dos bridas modulares.
13. Kit de piezas de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que los elementos alargados (40) y los elementos de revestimiento (20, 30) se encuentran en estado curado o semicurado y presentan su forma final.
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