ES2888103T3 - Union atornillada para pala modular - Google Patents
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Abstract
Unión atornillada para pala modular formada por un solo perno (8) que une los insertos (5) dispuestos en el ala de la viga (20) roscando los dos módulos (1 y 1') enfrentados entre sí. Al perno (8) se le añade un espaciador (9) en su parte central procediendo a su pretensado por estirado bien separando los módulos mecánicamente con un separador mecánico (10) o bien térmicamente aplicando calentadores al perno (8) y enfriadores al espaciador (9). Los módulos donde se mecanizan los alojamientos y se introducen insertos, están laminados únicamente en los lugares donde luego se mecaniza el alojamiento de forma que las capas (3) están perfiladas para que el volumen final tras el curado sea la únicamente la cavidad del alojamiento del inserto (5) minimizando el material utilizado. Y por último, para asegurar que la unión se puede practicar posteriormente con un solo perno, la fabricación de la rosca sobre los insertos de los módulos se realiza tras el refrentado de dichos módulos consiguiendo controlar la posición longitudinal y angular de la rosca.
Description
DESCRIPCIÓN
Campo de la invención
La presente invención trata la unión atornillada de los módulos de una pala de aerogenerador y el proceso de unión de unos módulos obtenidos con una fabricación específica y un laminado más estilizado que los existentes en la actualidad.
Antecedentes de la invención
La unión de módulos de palas y los insertos utilizados para tal fin están ampliamente descritos en el estado de la técnica.
Así, en la patente ES2265760 los insertos metálicos están alojados y fijados axialmente en las paredes de la estructura longitudinal resistente (viga de la pala). Los alojamientos están mecanizados y la unión del inserto se completa con un adhesivo. Sobre un laminado sólido (12) de fibras de carbono (13) y fibras de vidrio (14) se mecaniza una cavidad (16) y se introduce un inserto (10). La cabeza del inserto puede ser de dos tipos: piezas metálicas de configuración en U para pernos de tracción y elemento de conexión a cortadura. Estas cabezas destinadas al atornillado de los pares de insertos son grandes y pesadas ya que incluyen un alojamiento con el fin de permitir la unión de las tuercas que logran la pretensión de los pernos, penalizando la unión en coste y sobrepeso.
En la patente ES2369442 los insertos están embebidos o introducidos (mecanizándolos previamente como en el caso anterior) en el material compuesto que forma la pala. El cuerpo del inserto tiene forma cilíndrica o cónica. Según su colocación son de dos tipos:
Inserto mecanizado. En un laminado ya curado se mecaniza un agujero donde se introduce el inserto, cabeza (2) y cuerpo (3), y se pega con adhesivo (4). El laminado se realiza sobre un espesor continuo en todo lo ancho de la sección. Desventaja. El laminado es muy espeso y se gasta mucho en material estructuralmente innecesario y se gana en peso total del módulo.
Inserto embebido. Se lamina el inserto añadiéndole una pieza de refuerzo (5) durante el proceso de laminado. La misma resina del laminado pega el inserto en el material tras su curado. También se añade un separador (6) entre insertos. Desventajas. Al contrario que en proceso del mecanizado, es un proceso manual difícil de automatizar y por tanto muy sensible a las condiciones ambientales y habilidad de los trabajadores. Pero además, para conseguir una capacidad de carga aceptable, se introduce una pieza adicional (6) que debe ser también pegada en el inserto metálico antes de la laminación. Por tanto, para eliminar la desventaja de masa extra de la opción anterior (inserto mecanizado), se introducen otras desventajas claras como sensibilidad del proceso y gran extra-coste derivado de la pieza y proceso de pegado adicional.
Por otra parte, el apriete de los elementos de unión utilizados en estos insertos es un proceso complejo que bien necesita de un punto de apoyo externo o se realiza por parejas contrapuestas para aprovechar el balance acción - reacción de cada pareja y así no necesitar apoyo externo. En las patentes mencionadas el proceso de unión se resuelve de forma diferente pero siempre con un elemento de unión: la ES 2265760 mediante un perno y dos tuercas entre cabezas contrapuestas, y en la ES 2369442 mediante dos uniones de un único perno y tuerca con diferentes peculiaridades (rosca izquierda en inserto, rosca derecha en tuerca y cabeza mecanizada para amarre de llave). En ambos casos se compensan los dos pares entre sí (el de ambas tuercas o el de perno - tuerca) y se evita el punto de apoyo extra, pero en cualquier caso se necesita de una cabeza de inserto preferentemente rectangular, pesada y costosa que permita el alojamiento de las mencionadas tuercas, mientras en la nueva propuesta se definen dos alternativas para el pretensado de pernos. En la pretensión por par se compensan los mismos con el elemento de unión adyacente. En la pretensión por elongación se separan los módulos para dar a la unión la tensión necesaria en todos los pernos a la vez, eliminando la necesidad de cabezas entre módulos y reduciendo las piezas de unión a la mínima expresión, consiguiendo por tanto una gran ventaja en masa y coste con respecto al estado del arte actual. En ambos casos todos los pernos se pretensan de forma simultánea, bien por par bien por elongación, lo cual supone una enorme novedad con respecto al estado de la técnica.
La patente GB2472460A describe una unión atornillada para conectar partes opuestas de una pala modular. Cada módulo opuesto comprende un inserto con agujero con su interior roscado de forma que la unión entre insertos es a través de un perno por cada par de insertos con agujero roscado.
La patente EP2381093A1 describe una unión atornillada para conectar partes opuestas de una pala modular. En uno de los módulos existe un inserto roscado donde se aloja el extremo final de un perno con rosca. Una arandela y su correspondiente tuerca son utilizadas para fijar y tensionar el extremo opuesto del perno con rosca. Se dispone un anillo intermedio entre los módulos para evitar el daño de su piel lateral.
Descripción de la invención
La presente invención incluye una unión atornillada de los módulos de la pala de un aerogenerador mediante un único perno entre dos insertos roscados, previamente alojados en los laminados de los módulos. La invención describe el proceso de montaje de módulos permitiendo que dicha unión quede totalmente simplificada.
Es un objeto de la invención presentar un método para unir dos módulos de pala por medio de unos insertos roscados con otros insertos iguales enfrentados a estos primeros por mediación de un solo perno. Cada módulo comprende insertos roscados que han sido mecanizados en el interior del módulo, la unión entre insertos se realiza a través de un único perno por cada par de insertos enfrentados. Cada perno tiene dos extremos con rosca configurados para roscarse en los insertos de los módulos.
El método de unión incluye los siguientes pasos:
- fabricación de los módulos de pala con los insertos roscados en su interior cuyas roscas se mecanizan como paso final una vez se han preparado las superficies de conexión de los módulos,
- colocación de los pernos en el interior de los insertos de uno de los módulos,
- enfrentar con precisión los alojamientos del nuevo módulo,
- girar los pernos para roscarlos en el otro módulo cubriendo el hueco entre los módulos, - separar los módulos (1, 1') incrementando el hueco (7) entre ellos,
- pretensar todos los pernos insertando un espaciador sobre cada perno cubriendo el hueco incrementado entre los módulos después de que el espaciador ha sido comprimido.
El proceso de unión puede utilizar procedimientos para pretensar todos los pernos a la vez mediante la separación de los módulos. Siendo los pasos a dar:
- separación de los módulos con accionamiento mecánico mediante el conjunto costilla - cilindros hidráulicos o efectos térmicos en los espaciadores (contracción por enfriamiento antes de su colocación),
- colocación de los espaciadores sobre los pernos, y
- relajación y final del proceso de pretensado.
De forma diferente que en la patente ES2369442, la particular ventaja de esta nueva alternativa es que al pretensarse mediante estirado no se necesita el cambio de sentido en la rosca y el perno tiene rosca a derechas en ambos lados. Esto facilita mucho la introducción inicial de pernos en los módulos, que en cualquier caso depende también de detalles muy concretos de la fabricación de los módulos.
El proceso de pretensado se pueda hacer también por par de apriete, aunque no utilice un punto de apoyo externo para dar dicho par de apriete, realizando el tensionado por parejas contiguas aprovechando el balance de acción - reacción de cada pareja. Para la consecución de esta realización práctica se utiliza una pieza intermedia que se dispone sobre el perno y posibilita el giro de éste. En este caso las roscas de los insertos y pernos serán una hacia cada lado en cada módulo, de forma que el giro produzca avances opuestos y por tanto elongación del perno y su consiguiente pretensión.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 es una vista en planta de la forma de las capas del laminado en la zona de insertos que permita obtener el volumen donde mecanizar posteriormente la cavidad para los mismos.
La figura 2 muestra una sección de laminado selectivo previa al mecanizado de las cavidades de los insertos.
La figura 3 es una vista seccionada y de perfil con el laminado, el alojamiento y el inserto dispuesto antes de su introducción.
La figura 4 muestra una sección del laminado con los insertos en los alojamientos.
La figura 5 es una sección de la vista en planta de dos módulos de pala enfrentados y juntos de acuerdo con el método de la invención.
La figura 6 muestra el alzado y perfil de un perno y un espaciador subdividido en dos piezas.
La figura 7 muestra cuatro etapas: a) colocación del separador mecánico, b) separación de módulos, c) colocación de los espaciadores y d) relajación.
La figura 8 son dos realizaciones prácticas de los separadores mecánicos.
La figura 9 muestra la plantilla que se coloca sobre los módulos para aplicar los separadores
La figura 10 muestra diferentes realizaciones prácticas de piezas intermedias que permitan aplicar par, pudiendo tener orificio para palanca, con o sin chaveta, forma hexagonal o contorno con piñones dentados.
La figura 11 muestra la actuación conjunta del dispositivo de apriete piñón-cadena sobre un módulo de pala.
La figura 12 muestra la unión completa.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1 se muestra una vista en planta de la sección del módulo (1) de una pala de aerogenerador. Este módulo (1) forma parte de la viga de la pala y su principal característica es que en la parte correspondiente a la pared libre (2) están laminadas únicamente las partes donde irán alojados los insertos, reforzando estas zonas con una acumulación de capas. Como estas capas de laminado (3) se van superponiendo desde la capa más larga (3') a la más corta (3''), el laminado dispuesto sobre la superficie del módulo (1) forma una protuberancia circular (4) como la mostrada en la figura 2. De esta forma se consigue laminar sólo el volumen correspondiente al lugar donde se mecanizará y posteriormente se alojarán los insertos. Las capas de laminado (3) se disponen durante el proceso de conformado de la viga y una vez curado se obtiene las protuberancia circulares (4) en toda la parte superior e inferior de las paredes libres (2) de la viga. Este proceso se puede realizar de forma automática o de forma manual, capa a capa o formando pequeños prefabricados.
En la figura 3 se muestra el volumen laminado (3), el alojamiento (6) y el inserto (5). El inserto (5) tiene un cuerpo (5') y una cabeza (5'') donde posteriormente al pegado de los insertos y refrentado de la pared libre de los mismos se mecanizará una rosca en su interior. Por tanto, para fabricar dicha unión se procede a mecanizar el alojamiento (6), a refrentar la pared libre (2), posteriormente se colocan los insertos (5) en los alojamientos (6) y se pegan con un adhesivo, quedando tal y como se muestra en la figura 4. Finalmente, con el fin de controlar la posición longitudinal y angular de las roscas de los insertos, se refrenta la cara libre de los mismos para dejar como último paso el mecanizado de la rosca. Con ello el módulo (1) queda listo para su unión con otro módulo.
La principal característica de la invención es la unión de dos módulos (1 y 1') de pala por medio de unos insertos (5) con rosca en su interior, logrando esta unión a través de un solo perno por cada par de insertos (5) enfrentados. Todo ello tal y como se muestra en la figura 5.
El método de unión incluye los siguientes pasos:
- fabricación de los módulos de pala (1 y 1') con los insertos (5) roscados en su interior cuyas roscas se mecanizan como paso final una vez se han preparado las superficies de conexión de los módulos (1 y 1'), - roscar todos los pernos (8) en el interior de los insertos (5) de uno de los dos módulos (1),
- enfrentar los insertos (5) del nuevo módulo (1'), alineándolo con el anterior módulo (1),
- girar los pernos (8) roscándolos en ambos módulos (1 y 1') de forma que los pernos (8) entran en el nuevo módulo (1') dejando un hueco (7) entre módulos (1 y 1'),
- separar los módulos (1 y 1') para incrementar el hueco (7), y
- pre-tensionar todos los pernos (8) insertando un espaciador (9) sobre cada perno (8) en el hueco (7) incrementado entre los módulos (1 y 1') después de que el espaciador (9) ha sido comprimido.
A continuación, hay dos formas de conseguir la tensión adecuada en la unión: a) separando los módulos (1 y 1') con un accionamiento mecánico (10) e insertando una pieza espaciadora (9) sobre el perno (8) o b) colocando la pieza espaciadora (9) contraída térmicamente sobre el perno (8).
En la figura 6 se muestra un perno (8) con la pieza espaciadora (9) cubriéndolo. La pieza espaciadora
está formada por dos semicilindros huecos con una parte superior (9') y una parte inferior (9''). Esta subdivisión es necesaria porque la colocación de los espaciadores entre las caras libres de los insertos se produce cuando los pernos ya están colocados.
En la figura 7 se muestran las distintas fases de la separación de los módulos (1 y 1') para la opción a) de separación mecánica. Un accionamiento mecánico (10) se dispone entre los módulos. Según se va ampliando el hueco (7) existente ente los módulos, este crece y se convierte en un hueco (7') mayor, para lo cual se deben estirar los pernos. En esa disposición se introduce una pieza espaciadora (9) sobre cada perno cubriéndolo. La pieza espaciadora (9) es de menor longitud que el hueco (7') creado y de mayor longitud que el hueco (7) original. Cuando se retira el accionamiento mecánico (10) el nuevo hueco (7”) es menor que el hueco (7') creado con el accionamiento y mayor que el hueco (7) inicial lo que mantiene las piezas espaciadoras (9) comprimidas y los pernos pretensados. Se origina así una unión de tracción pretensada por estirado.
En la figura 8 existen varias realizaciones prácticas para lograr la separación de los módulos (1 y 1'). Los extremos (11) del accionamiento mecánico (10) pueden actuar sobre las caras libres de los insertos (5) o bien pueden actuar sobre los laterales de los insertos (5) con pines de cortadura. La elección de la forma de actuación vendrá dada por las dimensiones del hueco (7) existente y la sección necesaria para los espaciadores. Si la actuación se efectúa sobre el lateral del inserto (5) existirán elementos que fijen ambas partes como pines, pasadores o elementos similares. La carga separadora se puede repartir a través de una plantilla (12) como la mostrada en la figura 9. La plantilla (12) se usa cuando el sistema de pretensión elegido es la simple separación mecánica de los módulos mediante el accionamiento mecánicos (10), por ejemplo cilindros hidráulicos. La plantilla (12) sirve para transmitir la fuerza de dichos cilindros hidráulicos entre ambos módulos (1 y 1'), y por tanto separarlos entre sí. La rigidez de la plantilla (12) será muy importante en la realización práctica para que el estirado sea homogéneo.
La segunda opción, la opción b), trata de actuar sobre el perno (8) y el espaciador (9) mediante efectos térmicos. Así el perno (8) se dilata para que el hueco (7) existente entre los módulos (1 y 1') aumente y pueda incorporarse el espaciador (9) que previamente se ha contraído enfriándolo. Por ejemplo, se puede utilizar nitrógeno líquido para el enfriamiento y contracción de los espaciadores (9) y resistencias eléctricas para el calentamiento y dilatación de los pernos (8). La longitud de los espaciadores a temperatura ambiente debe ser mayor que el espacio entre módulos, mientras la longitud de los espaciadores contraídos debe ser menor que el espacio entre módulos con pernos dilatados. Por ello, cuando ambos elementos vuelven a su estado normal se provoca la compresión de los espaciadores y el estirado o pretensión de los pernos (8).
Para la pretensión por par, tal y como se muestra en la figura 10 el perno (8) puede estar acompañado de una pieza intermedia cuya función no es solo la de servir como pieza espaciadora como la utilizada en las figuras anteriores, sino también como pieza intermedia (13) que proporciona una superficie manipulable al perno (8) para la aplicación del par que provocará la pretensión al comprimir el espaciador. Un lugar donde pueden aplicarse vástagos (14), llaves (15) u otros dispositivos que den par al conjunto. Es el pretensado por par, el perno (8) tiene una rosca a izquierda y otra a derechas para que el giro produzca avances opuestos en cada extremo y se estire. Así en la opción a) de la figura 10 se muestra una pieza intermedia (13) solidaria con el perno (8) y con un agujero (16) en su superficie para que pueda alojarse en su interior un vástago (14) con el que dar par. En la opción b) se muestra una pieza intermedia (13') compuesta por dos partes que se unen mediante una chaveta (17) sobre el perno. De igual forma tendrán también un agujero (16) para que un vástago (14) pueda darle el par de apriete. En la opción c) se muestra otra realización de la pieza intermedia (13”) que se dispone bien sobre el perno (8) o bien como parte solidaria a él, la cual presenta una forma hexagonal que permite la utilización de llaves (15) convencionales para lograr su apriete. En la opción d) se muestra otra alternativa para la pieza intermedia. En esta realización se trata de conferirle una forma dentada (13'''). Con la actuación de una cadena (18) que engrane con los dientes de la pieza intermedia dentada (13''') se logra un par de apriete conjunto de todos los pernos (8) al unísono tal y como se muestra en la figura 12. Un motor (19) mueve la cadena (18) que engrana alternativamente las piezas intermedias dentadas (13''') configurando el par de apriete para aprovechar el balance acción - reacción y no necesitar tampoco apoyo externo para el tensionado.
En la figura 12 se muestran los dos módulos (1 y 1') unidos con sus respectivos pernos (8) sobre los que se disponen los espaciadores (9). La parte correspondiente a los insertos (5) se tapará posteriormente con una carena y se ubica en el ala de la viga (20) dispuesta entre el borde de ataque (21) y el borde de salida (22) del ala.
Claims (4)
1. - Método de conexión de módulos (1, 1') enfrentados en una pala modular, teniendo cada módulo (1, 1') insertos (5) alojados por mecanizado en los módulos (1, 1') enfrentados, siendo la conexión entre insertos (5) mediante un perno simple (8) por cada par de insertos (5) enfrentados, comprendiendo cada perno (8) dos extremos con rosca configurados para ser roscados en los insertos (5) de los módulos (1, 1'), el método comprende los siguientes pasos:
- fabricación de los módulos de pala (1, 1') con los insertos (5) roscados en su interior cuyas roscas se mecanizan como paso final una vez se han preparado las superficies de conexión de los módulos (1, 1'),
- insertar los pernos (8) en uno de los módulos (1),
- posicionar con precisión el nuevo módulo (1') contra dicho uno de los módulos (1),
- girar los pernos (8) de forma que los pernos (8) entran en el nuevo módulo (1') dejando un hueco (7) entre módulos (1, 1'),
- separar los módulos (1 y 1') para incrementar el hueco (7), y
- pre-tensionar todos los pernos (8) insertando un espaciador (9) sobre cada perno (8) en el hueco (7) incrementado entre los módulos (1, 1') después de que el espaciador (9) ha sido comprimido.
2. - Método según la reivindicación 1, donde la pretensión se realiza en todos los pernos (8) simultáneamente mediante estirado con efecto térmico, las roscas son a derechas, siguiendo estos pasos:
i) se dilatan los pernos (8) mediante resistencias eléctricas,
ii) se contraen los espaciadores (9) mediante su enfriamiento previo
ii) se introducen dichos espaciadores (9), subdivididos en dos piezas para facilitar su colocación por ambos lados de los pernos (8) ya montados
iii) se relaja la dilatación del perno (8) y la contracción del espaciador (9) mediante temperatura ambiente.
3. - Método según la reivindicación 1, donde la pretensión se realiza en todos los pernos a la vez mediante estirado y las roscas son a derechas con el fin de posibilitar el siguiente proceso de montaje:
i) se separan los módulos con un separador mecánico (10), generando un segundo hueco (7') entre los módulos (1, 1') mayor que el primer hueco (7),
ii) se introduce un espaciador (9), subdividido en dos piezas para facilitar su colocación por ambos lados de los pernos (8) ya montados,
iii) se relaja el espaciador mecánico (10), generando un tercer hueco
mayor que el primer hueco (7) y menor que el segundo hueco (7').
4. - Método según la reivindicación 3, donde la pretensión se hace con acción mecánica mediante un motor (19) que mueve una cadena (18) y da par simultáneamente a todos los insertos dentados (13''') del módulo.
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