ES2881259T3 - Pala aerodinámica o hidrodinámica hecha de material estratificado - Google Patents

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Abstract

Pala hecha de un material estratificado, donde dicha pala está configurada para que se exponga a un flujo de fluido y comprende revestimientos (1, 2) definidos entre un borde de entrada (3) y un borde de salida (4), revestimientos en sección transversal que forman un perfil de flujo para la pala, donde el material estratificado comprende varias capas de material (5, 5'; 5"), donde cada una de dichas capas de material comprende una parte de cuerpo respectiva (6, 6'; 13, 13') entre y transversalmente a los revestimientos y en cada lado de la parte de cuerpo, en cada caso, una parte de revestimiento respectiva (7, 7', 7") que forma parte del primer revestimiento (1) y una parte de revestimiento respectiva (8, 8'; 8") que forma parte del otro revestimiento (2) formando capas de material que tienen forma de U y que están anidadas entre sí de manera que al menos dos partes consecutivas de revestimiento del primer revestimiento y/o dos partes consecutivas de revestimiento del otro revestimiento están superpuestas entre sí; caracterizada por el hecho de que dichas partes de revestimiento (7, 7', 7", 8, 8', 8") se extienden a partir de la parte de cuerpo relacionada (6, 6'; 13, 13') en dirección del borde de salida (4), y por el hecho de que el perfil de flujo formado por los revestimientos está curvado con un radio de curvatura relativamente grande en el borde de entrada (3), y está curvado con un radio de curvatura relativamente pequeño en el borde de salida (4) o tiene forma puntiaguda en el borde de salida (4).

Description

DESCRIPCIÓN
Pala aerodinámica o hidrodinámica hecha de material estratificado
Campo de la invención
[0001] La invención se refiere a una pala hecha de material estratificado, tal como material compuesto, para que se exponga a un flujo de fluido, en particular una pala aerodinámica tal como un álabe para una turbina eólica, un perfil alar para un avión y similar. La invención también se refiere a superficies hidrodinámicas, tal como una quilla o una pala de propulsión para una hélice de barco.
Estado de la técnica
[0002] Se conoce la fabricación de álabes con material compuesto. Se pueden encontrar ejemplos de estos en los documentos EP2182203; EP2363602; GB2528850; US2003/0116262; US2013068389; US2013/0101430; US2014284431. Todas estas sugerencias conocidas para un álabe se refieren a una estructura en la que tanto el revestimiento de la pala como los largueros que aseguran la transmisión de las fuerzas consisten en un material compuesto. Los revestimientos están compuestos por capas continuas de material fibroso que se extienden entre el borde de entrada y el borde de salida del perfil de flujo de la pala. Los largueros están fijados a la superficie interior de los revestimientos. Normalmente, los largueros comprenden un cuerpo con bridas en ambos extremos exteriores, donde estas bridas aseguran la adhesión a los revestimientos. La US2410609 divulga una pala de rotor que tiene una estructura correspondiente. En el interior de esta pala para rotor también hay incorporadas unas partes anidadas con forma de U, cuyas patas están orientadas hacia el borde de entrada.
[0003] La EP divulga una estructura de ala hecha de material compuesto y que comprende unos largueros anidados con forma de U.
[0004] Como se sabe, tales superficies aerodinámicas están expuestas a cargas altamente fluctuantes. Aunque el material de fibra impregnado del que están compuestas las palas es muy resistente a tales fluctuaciones de carga, pueden surgir problemas. Dichos problemas están relacionados principalmente con las capas de las que está formada el material compuesto, que se desprenden. Este fenómeno puede ocurrir en particular en caso de concentraciones de carga relativamente altas.
[0005] En ese sentido, resulta que la adherencia entre los revestimientos y los largueros puede suponer un problema. Las capas adyacentes de los largueros y del revestimiento pueden entonces ser causa de desprendimiento. Además, se puede dar la delaminación en los propios revestimientos. Las capas de material de fibra del revestimiento, como se ha indicado, se extienden continuamente entre el borde de entrada y el extremo del final del perfil de flujo, como resultado de lo cual la delaminación puede extenderse a través de todo el perfil de flujo sin impedimento.
[0006] Por lo tanto, es deseable proporcionar un larguero hecho de material compuesto que sea más resistente al desprendimiento y a la delaminación. Puede ser deseable proporcionar tal pala donde la adhesión entre los revestimientos y los largueros sea más resistente a los síntomas de fatiga. Además, es deseable proporcionar un larguero en el que los propios revestimientos sean más resistentes a los síntomas de fatiga.
Breve descripción de la invención
[0007] La invención está definida por las reivindicaciones. Una pala está hecha de material estratificado, pala que está configurada para que se exponga a un flujo de fluido, que comprende revestimientos definidos entre un borde de entrada y un borde de salida, donde dichos revestimientos en sección transversal forman un perfil de flujo en la pala. El material estratificado comprende varias capas de material. Cada una de las capas de material comprende una parte de cuerpo respectiva entre los revestimientos y transversal a estos y, en cualquiera de los lados de la parte de cuerpo en cada caso, una parte de revestimiento respectiva que forma parte del primer revestimiento y una parte de revestimiento respectiva que forma parte del otro revestimiento mientras se forman capas de material que tienen forma de U y anidadas entre sí de manera que al menos dos partes consecutivas del primer revestimiento y/o dos partes consecutivas de revestimiento del otro revestimiento se solapen entre sí. Dichas partes de revestimiento se extienden todas desde la parte de cuerpo relacionada en la dirección del borde de salida. El perfil de flujo formado por los revestimientos está curvado con un radio de curvatura relativamente grande en el borde de entrada y está curvado con un radio de curvatura relativamente pequeño en el borde de salida o está orientado hacia el borde de salida.
[0008] Las partes de cuerpo y de revestimiento que constituyen el revestimiento forman en cada caso parte de una misma capa de material. En este sentido, el cuerpo no está pegado meramente a la superficie interna de los revestimientos por medio de una capa adhesiva, sino que es una parte integral de los revestimientos. Como consecuencia, esto reduce el riesgo de delaminación. Una ventaja adicional de tal estructura donde los cuerpos continúan para prolongarse en los revestimientos es que los revestimientos mismos están compuestos por partes de revestimiento que están solapadas entre sí de tal manera que la progresión de cualquier indicio de delaminación queda limitada.
[0009] Además, en cuanto al flujo, la pala tiene una estructura ventajosa a medida que las partes de revestimiento en cuestión se extienden desde los cuerpos hacia el borde de salida, donde cada capa de material comprende una parte de cuerpo respectiva y cada una en cualquiera de los lados de la parte de cuerpo en cada caso comprende una parte de revestimiento respectiva que forma parte del primer revestimiento y una parte de revestimiento respectiva que forma parte del otro revestimiento, mientras que se forman capas de material que tienen forma de U y anidadas entre sí.
Dependiendo de la dimensión de dichas partes de revestimiento, se puede influir localmente en el grosor y/o fuerza y/o rigidez de los revestimientos.
[0010] Además, las partes de revestimiento que forman parte del primer revestimiento y/o del otro revestimiento pueden estar solapadas a lo sumo parcialmente entre sí en sección transversal. Esto puede además manifestarse en una variedad donde, cuando se considere en sección transversal, una primera parte de revestimiento que forma parte del primer revestimiento o del otro revestimiento, respectivamente, que cubre una segunda parte de revestimiento que forma parte del primer revestimiento o del otro revestimiento, respectivamente, termina a una distancia mayor del borde de salida que la segunda parte de revestimiento.
[0011] En formas de realización, tres o más partes de revestimiento consecutivas del primer revestimiento están solapadas entre sí, y/o tres o más partes de revestimiento consecutivas del otro revestimiento están solapadas entre sí. Este grado de solapamiento se puede realizar en parte de las capas de material de la pala, o incluso en todas las capas de material de la pala.
[0012] En formas de realización, se puede disponer un larguero que consiste en al menos una parte de cuerpo de una capa de material que comprende una parte de cuerpo entre y transversalmente a los revestimientos y al menos una parte de revestimiento que forma parte del primer revestimiento y/o al menos una parte de revestimiento que forma parte del otro revestimiento, y opcionalmente una capa de material de soporte. Preferiblemente, la capa de material de soporte se encuentra entre dos partes de cuerpo de una capa respectiva de material.
[0013] Para aumentar adicionalmente la fuerza y la rigidez de la pala, se pueden disponer al menos dos largueros distanciados, donde dichos largueros y las áreas de revestimiento que se extienden entre estos definen una caja de torsión.
[0014] Además, es posible formar los revestimientos a partir de partes adicionales de revestimiento que no pertenecen a las capas de material que tienen también una parte de cuerpo. Para este fin, entre dos partes de revestimiento de solapamiento de las capas de material que comprenden una parte de cuerpo entre los revestimientos y al menos una parte de revestimiento que forma parte del primer revestimiento y/o al menos una parte de revestimiento que forma parte del otro revestimiento, puede estar colocada una parte adicional de revestimiento que se extiende exclusivamente dentro del primer revestimiento o exclusivamente dentro del otro revestimiento.
[0015] Alternativamente, o además de la forma de realización anteriormente descrita, capas de material pueden extenderse continuamente entre el borde de salida y el borde de entrada, donde dichas capas continuas de material fibroso cubren las partes de revestimiento de las capas de material fibroso que comprenden una parte de cuerpo entre los revestimientos y al menos una parte de revestimiento que forma parte del primer revestimiento o una parte de revestimiento que forma parte del otro revestimiento.
[0016] Las capas de material pueden consistir por ejemplo en material fibroso. En particular, puede tratarse de material compuesto, que tiene capas de fibra que están impregnadas con un material matriz. Luego, se puede influir en la fuerza y/o rigidez de los revestimientos como se desee mediante una elección apropiada de la dirección de la fibra del material fibroso. Por ejemplo, una dirección de fibra de una capa de material fibroso puede estar en paralelo a la sección transversal que define el perfil de flujo, y/o una dirección de fibra de una capa de material fibroso puede estar orientada ±45 ° hacia la sección transversal que define el perfil de flujo, y/o una dirección de fibra de una capa de material fibroso puede estar orientada 90 ° hacia la sección transversal que define el perfil de flujo. Para reforzar adicionalmente la estructura de la pala, un relleno, tal como un material poroso, puede estar presente entre los revestimientos y los cuerpos. Se puede considerar en particular un bloque de material poroso, más particularmente un bloque de material poroso cubierto por una capa de material fibroso.
[0017] También se pueden usar otros materiales diferentes al material fibroso. Alternativamente, las capas de material pueden consistir, por ejemplo, en aluminio. Estas están adheridas entre sí y a los rellenos, si los hay, de la manera conocida.
[0018] Como ya se ha expuesto anteriormente, la pala puede estar configurada como una pala aerodinámica para que se exponga a una corriente de aire o flujo de gas. En este caso, uno de los revestimientos forma un revestimiento de presión inferior y el otro revestimiento forma un revestimiento de presión superior. En particular, tal pala puede estar configurada como un álabe para una turbina eólica, o como perfil alar para un avión, o como una superficie de dirección para un avión, o como una pala de propulsión para una hélice, o como flap/alerón para un avión, o como aleta para un avión.
[0019] La pala puede estar configurada además como una pala hidrodinámica para que se exponga a un flujo de fluido, donde la línea de curvatura es una recta y los revestimientos están simétricamente relativos a la línea de curvatura. Unos ejemplos de la misma son una quilla, una pala de timón, una orza lateral o un hidroala para una embarcación.
[0020] Lo que es más, la pala hidrodinámica puede estar representada por un revestimiento de presión inferior y el otro revestimiento por un revestimiento de presión superior, como ocurre en el caso de una pala estabilizadora para una embarcación o en caso de una pala de propulsión para una hélice de barco.
[0021] Al menos un larguero puede estar provisto, en un extremo de la pala, de medios de acoplamiento para acoplar la pala a un soporte, tal como un eje de una turbina eólica, un cuerpo de un avión y similar.
[0022] Como se sabe, el borde de entrada de un perfil de flujo es el borde que se enfrenta al flujo de ataque. El flujo se dirige desde el borde de entrada al borde de salida. El flujo sale del perfil de flujo en la ubicación del borde de salida.
[0023] Se hace referencia a la pala de rotor hueca como se conoce a partir de la US2827967. Dicha pala conocida tiene anidadas palas con forma de U, cuyas patas están orientadas hacia el borde de entrada del perfil de flujo. Para obtener una forma que sea aceptable en cuanto al flujo, es necesario usar un larguero separado que, junto a las patas unidas al mismo, debe someterse a un tratamiento de mecanizado. Además del inconveniente de que esta pala conocida es laboriosa y costosa como resultado, un inconveniente adicional es su fragilidad. En realidad, los extremos orientados hacia delante de las placas con forma de U están expuestos a una corriente de aire fuerte y a cualquiera de las partículas con las que se pueden topar a lo largo de dicho flujo. Esto implica el riesgo de que las capas en cuestión “se pelen” y al final se desprendan.
Breve descripción de las figuras
[0024] La invención se describirá además con base en las formas de realización ejemplares que se muestran en la figura.
La Figura 1 muestra una vista despiezada en sección transversal del perfil de una pala.
La Figura 2 muestra una vista desde arriba de la pala.
Descripción de las formas de realización
[0025] La Figura 1 muestra una vista ligeramente despiezada del perfil de una pala aerodinámica. La pala tiene un revestimiento de presión inferior 1 y un revestimiento de presión superior 2 que se extienden entre el borde de entrada 3 y el borde de salida 4. La pala está reforzada con capas de material fibroso 5, 5', ... que consta cada una de una parte de cuerpo 6, 6', ..., una parte de revestimiento 7, 7', ... que forma parte de revestimiento de presión inferior 1 al igual que una parte de revestimiento 8, 8', ... que forma parte de revestimiento de presión superior 2. Todas las capas de material fibroso 5, 5', ... tienen forma de U, donde las patas de la U están orientadas hacia el borde de salida 4. Esto es ventajoso en cuanto a aerodinámica.
[0026] Las partes de revestimiento 7, 7', ... del revestimiento de presión inferior 1 están solapadas parcialmente entre sí, y en la forma de realización ejemplar mostrada cada una tiene un extremo 9, 9', ... que está libre en el exterior de revestimiento de presión inferior. Asimismo, las partes de revestimiento 8, 8', ... del revestimiento de presión superior 2 están solapadas entre sí, donde tienen un extremo libre 10, 10', ... que está libre en el exterior de revestimiento de presión superior.
[0027] Entre las partes de cuerpo 5, 5', ... hay en cada caso rellenos en forma de bloques de espuma 11, 11', .... Las partes de cuerpo 5, 5" están adheridas a una superficie de una capa de espuma de soporte 12, 12'. Una parte de cuerpo 13, 13' está adherida también a la otra superficie de la capa de espuma de soporte 12. De este modo, se forman los largueros 14, 14'. Dos de tales largueros están separados entre sí y, junto con las partes de revestimiento de presión inferior 1 y de revestimiento de presión superior 2 situadas entremedias, forman una caja de torsión. Las partes de cuerpo 13, 13' en la otra superficie de la capa de espuma de soporte 12, 12' forman parte también de las capas con forma de U de material fibroso.
[0028] Entre las partes de revestimiento 7, 7', ...; 8, 8', ... de las capas de material fibroso 5, 5', ... que tienen una parte de cuerpo 6, 6', ..., hay provistas unas capas adicionales de material fibroso 15, 15', ... que sirven para reforzar los revestimientos localmente. Dichas capas adicionales de material fibroso 15 se extienden exclusivamente en estos revestimientos 1,2, y no están provistas de una parte de cuerpo.
[0029] La vista desde arriba de la figura 2 muestra que la pala se extiende entre el extremo libre 17 y el extremo opuesto 18 que tiene que estar unido, por ejemplo, al eje de una turbina eólica o al cuerpo de un avión. Para este fin, algunas partes de cuerpo 6, 6', 6", ... están provistas con medios de acoplamiento 16, 16', 16", .... En particular los largueros 14, 14', de los que son parte las partes de cuerpo 6, 6" están provistos con tales medios de acoplamiento 16, 16". Estos se pueden considerar por ejemplo accesorios que pueden estar unidos a equivalentes asociados de un eje de turbina eólica, o un cuerpo de avión y similar.
[0030] Aunque anteriormente está la cuestión del material fibroso, también puede usarse otro material para las capas con forma de U con partes de revestimiento y partes de cuerpo, tal como un metal, por ejemplo aluminio. En vez de material poroso, también es posible utilizar otros productos de relleno adecuados.
Lista de números de referencia
[0031]
1. Revestimiento de presión inferior
2. Revestimiento de presión superior
3. Borde de entrada
4. Borde de salida
5, 5', ... Capa de material fibroso
6, 6', ... Parte de cuerpo
7, 7', ... Parte de revestimiento
8, 8', ... Parte de revestimiento
9, 9', ... Parte de revestimiento del extremo libre
10, 10', ... Parte de revestimiento del extremo libre
11, 11', ... Relleno de material poroso
12, 12', ... Capa de material poroso de soporte
13, 13', ... Parte de cuerpo
14, 14' Larguero
15, 15', ... Capa de material fibroso
16, 16', ... Medios de acoplamiento

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Pala hecha de un material estratificado, donde dicha pala está configurada para que se exponga a un flujo de fluido y comprende revestimientos (1, 2) definidos entre un borde de entrada (3) y un borde de salida (4), revestimientos en sección transversal que forman un perfil de flujo para la pala, donde el material estratificado comprende varias capas de material (5, 5'; 5"), donde cada una de dichas capas de material comprende una parte de cuerpo respectiva (6, 6'; 13, 13) entre y transversalmente a los revestimientos y en cada lado de la parte de cuerpo, en cada caso, una parte de revestimiento respectiva (7, 7', 7") que forma parte del primer revestimiento (1) y una parte de revestimiento respectiva (8, 8'; 8") que forma parte del otro revestimiento (2) formando capas de material que tienen forma de U y que están anidadas entre sí de manera que al menos dos partes consecutivas de revestimiento del primer revestimiento y/o dos partes consecutivas de revestimiento del otro revestimiento están superpuestas entre sí; caracterizada por el hecho de que dichas partes de revestimiento (7, 7', 7", 8, 8', 8") se extienden a partir de la parte de cuerpo relacionada (6, 6'; 13, 13') en dirección del borde de salida (4), y por el hecho de que el perfil de flujo formado por los revestimientos está curvado con un radio de curvatura relativamente grande en el borde de entrada (3), y está curvado con un radio de curvatura relativamente pequeño en el borde de salida (4) o tiene forma puntiaguda en el borde de salida (4).
2. Pala según la reivindicación 1, donde al menos tres partes consecutivas de revestimiento (7, 7'; 7") del primer revestimiento (1) están superpuestas entre sí, y/o al menos tres partes consecutivas de revestimiento (8, 8'; 8") del otro revestimiento (2) están superpuestas entre sí.
3. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el número de partes de revestimiento (7, 7', ...; 8, 8', ...) en un área central del primer revestimiento o del otro revestimiento, respectivamente, donde dicha área central está separada del borde de entrada y del borde de salida, es superior al número de partes de revestimiento (7, 7', ...; 8, 8', ...) en un área de borde del primer revestimiento o del otro revestimiento, respectivamente, donde dicha área de borde está adyacente al borde de entrada y/o al borde de salida.
4. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde una capa principal de material dispuesta en el borde de entrada (3) de la pala tiene una parte de cuerpo que forma parte de los revestimientos (1, 2) y está definida en forma de U curvada con el radio de curvatura relativamente grande.
5. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde unas partes de revestimiento (7, 7'; 7") que forman parte del primer revestimiento (1) están solapadas a lo sumo parcialmente en sección transversal y/o unas partes de revestimiento (8, 8', 8") que forman parte del otro revestimiento (2) están solapadas a lo sumo parcialmente en sección transversal, y donde una primera parte de revestimiento (7, 8) que forma parte del primer revestimiento (1) o del otro revestimiento (2), que cubre una segunda parte de revestimiento (7'; 8) que forma parte del primer revestimiento o del otro revestimiento, termina en una distancia mayor del borde de entrada (4) que la segunda parte de revestimiento.
6. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde un relleno (11, 11'; 11"), tal como un material poroso, en particular un bloque de material poroso, más en particular un bloque de material poroso envuelto en una capa de material fibroso, está colocado entre los revestimientos (1, 2) y los cuerpos (6, 6', 13, 13').
7. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde al menos está provista de un larguero (14, 14), donde dicho al menos un larguero comprende al menos la parte de cuerpo (6, 13) de una capa de material que tiene una parte de cuerpo (6) entre y transversalmente a los revestimientos (1, 2) y al menos una parte de revestimiento (7) que forma parte del primer revestimiento y/o al menos una parte de revestimiento (8) que forma parte del otro revestimiento, y opcionalmente una capa de soporte de material (12, 12).
8. Pala según la reivindicación 7, donde una capa de soporte de material (12) está rodeada por dos partes de cuerpo (6, 13) de una capa de material respectiva (5).
9. Pala según la reivindicación 7 u 8, donde está provista de al menos dos largueros distanciados (14, 14), donde dichos largueros y las áreas de los revestimientos (1, 2) que se extienden entre ellos definen una caja de torsión.
10. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde entre las dos partes de revestimiento de solapamiento (7, 7', 7", 8, 8', 8") de las capas de material (5, 5'; 5") que comprenden una parte de cuerpo entre los revestimientos y al menos una parte de revestimiento que forma parte del primer revestimiento y/o al menos una parte de revestimiento que forma parte del otro revestimiento está situada una parte de revestimiento adicional (15, 15") que se extiende exclusivamente en el primer revestimiento (1) o exclusivamente en el otro revestimiento
11. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde unas capas de material (5, 5', 5") comprenden capas de material fibroso impregnadas con un material matriz, donde opcionalmente una dirección de fibra de una capa de material fibroso (5, 5'; 5") está en paralelo a la sección transversal que define el perfil de flujo, y/o una dirección de fibra de una capa de material fibroso está orientada ±45 ° hacia la sección transversal que define el perfil de flujo, y/o una dirección de fibra de una capa de material fibroso está orientada 90 ° hacia la sección transversal que define el perfil de flujo.
12. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde las capas de material (5, 5', 5") comprenden capas de material de aluminio.
13. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, configurada como una pala aerodinámica para que se exponga a una corriente de aire o flujo de gas, donde uno de los revestimientos forma un revestimiento de presión inferior y el otro revestimiento forma un revestimiento de presión superior, donde la pala aerodinámica es, por ejemplo, un álabe para turbina eólica, un perfil alar para un avión, una superficie de dirección para un avión, un flap/alerón para un avión, un dispositivo de punta alar para un avión o una pala de propulsión para una hélice.
14. Pala según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 12, configurada como pala hidrodinámica para que se exponga a un flujo de fluido, donde la línea de curvatura es una línea recta y los revestimientos están en forma simétricamente relativa a la línea de curvatura, donde la pala hidrodinámica es por ejemplo una quilla, una pala de timón, una orza lateral o un hidroala para una embarcación.
15. Pala según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 12, configurada como una pala hidrodinámica para que se exponga a un flujo de fluido, donde uno de los revestimientos forma un revestimiento de presión inferior y el otro revestimiento forma un revestimiento de presión superior, donde la pala hidrodinámica es, por ejemplo, una pala estabilizadora para una embarcación o una pala de propulsión de la hélice de un barco.
16. Pala según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el borde de entrada (3) y el borde de salida (4) se extienden entre dos extremos opuestos de la pala (17, 18), donde al menos un larguero (14-14), en uno de los extremos de la pala (18), dispone de unos medios de acoplamiento (16, 16'; 16") para acoplar la pala a un soporte, tal como un eje de una turbina eólica, un cuerpo de un avión y similares, y el otro extremo de la pala está libre.
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