ES2899290T3 - Vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica - Google Patents

Vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica Download PDF

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Abstract

Disposición (1) para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura (25) de material compuesto en un componente de turbina eólica, comprendiendo la disposición (1): - al menos un elemento (41) de fijación mecánico posicionado longitudinalmente a través de capas (5) de la estructura (25) de material compuesto para reforzar la estructura (25) de material compuesto, en la que el elemento (41) de fijación mecánico está realizado de un material eléctricamente conductor; caracterizada porque comprende además: - una fuente (30) de corriente conectada eléctricamente a un primer extremo (41a) del elemento (41) de fijación mecánico y configurada para proporcionar una corriente eléctrica al elemento (41) de fijación mecánico a través del primer extremo (41a) del elemento (41) de fijación mecánico; y - un dispositivo (50) de medición de corriente conectado eléctricamente a un segundo extremo (41b) del elemento (41) de fijación mecánico y configurado para determinar la corriente eléctrica que sale del elemento (41) de fijación mecánico a través del segundo extremo (41b) del elemento (41) de fijación mecánico.

Description

DESCRIPCIÓN
Vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica
La presente invención se refiere de manera general a turbinas eólicas y, en particular, a una estructura de material compuesto de una pala de rotor de turbina eólica. Más específicamente, la presente invención se refiere a técnicas para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica.
Las dimensiones de las turbinas eólicas y las palas eólicas están aumentando cada vez más y, por consiguiente, aumentan los retos para superar los riesgos de fallos de componentes en turbinas eólicas. Actualmente, los materiales preferidos usados para fabricar componentes de pala de rotor de turbina eólica, también denominados a continuación en el presente documento componentes de pala tales como carcasa, alma de cizalladura, cordones de larguero, etc., son plásticos reforzados con fibra de vidrio y/o de carbono denominados habitualmente “materiales compuestos”, que se procesan generalmente mediante procedimientos de moldeo manual sobre molde y por inyección de resina. Secciones más grandes, envergaduras más largas, componentes estructurales más gruesos de las palas hacen que el flujo de resina sea muy complejo de diseñar y optimizar, y por tanto suponen un riesgo aumentado de errores de fabricación tales como arrugas transversales, mala impregnación de la resina, bolsas de aire, grandes zonas con fibras secas y así sucesivamente, dando como resultado por consiguiente la deslaminación. Además, aunque se fabrique de manera apropiada, tensiones cíclicas repetidas, impactos y así sucesivamente, pueden hacer que las capas del material compuesto se separen, es decir se deslaminen, lo cual da como resultado una pérdida significativa de resistencia mecánica del material compuesto.
Actualmente, se usan elementos de fijación mecánicos tales como pernos para impedir el comienzo de la deslaminación especialmente cuando un comienzo de este tipo es previsible o para detener el progreso de la deslaminación y contrarrestar su efecto sobre el material compuesto cuando la deslaminación ya ha comenzado. Los pernos se colocan a través de orificios perforados en el material compuesto, en general normalmente hasta la extensión de las capas del material compuesto. Los pernos mantienen entonces las capas del material compuesto juntas y refuerzan o afianzan el material compuesto, proporcionando de ese modo resistencia mecánica al material compuesto y contrarrestando el efecto de la deslaminación. Sin embargo, las tensiones cíclicas repetidas y las cargas pesadas que tienen que resistir los pernos que resultan del funcionamiento de la turbina eólica conducen por consiguiente al fallo de los pernos, es decir los pernos se desprenden finalmente después de algo de uso, por ejemplo, después de unos pocos miles de ciclos. Si todavía se hace funcionar la turbina eólica después de que tales pernos se hayan desprendido la deslaminación progresa adicionalmente y puede dar como resultado fallos catastróficos de la estructura de material compuesto y puede ser incluso peligrosa para el entorno generando un temor de que la pala caiga del buje sobre el suelo y/o al entorno. Por tanto, la vigilancia de la propagación de deslaminación en tales estructuras de material compuesto en los componentes de turbina eólica tales como las palas, es de vital importancia.
El documento CN107271545 da a conocer un sensor de corriente parásita eléctrica para monitorizar una estructura de unión de capas de material compuesto de fibra de carbono.
El objetivo de la presente invención es proporcionar una técnica para la vigilancia de la propagación de deslaminación en tales estructuras de material compuesto en los componentes de turbina eólica.
El objetivo mencionado anteriormente se logra mediante una disposición para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica según la reivindicación 1 de la presente técnica, mediante una disposición para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica según la reivindicación 8, y mediante un método para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica según la reivindicación 15 de la presente técnica. En las reivindicaciones dependientes se proporcionan realizaciones ventajosas de la presente técnica.
En un primer aspecto de la presente técnica se proporciona una disposición para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica. La disposición incluye al menos un elemento de fijación mecánico, una fuente de corriente y un dispositivo de medición de corriente. El elemento de fijación mecánico está posicionado longitudinalmente a través de capas de la estructura de material compuesto. El elemento de fijación mecánico, por ejemplo, un perno, refuerza la estructura de material compuesto. El elemento de fijación mecánico está realizado de un material eléctricamente conductor, por ejemplo, acero inoxidable. La fuente de corriente está conectada eléctricamente a un primer extremo del elemento de fijación mecánico en un primer lado de la estructura de material compuesto y proporciona una corriente eléctrica al elemento de fijación mecánico a través del primer extremo del elemento de fijación mecánico. El dispositivo de medición de corriente está conectado eléctricamente a un segundo extremo del elemento de fijación mecánico en un segundo lado de la estructura de material compuesto y determina la corriente eléctrica que sale del elemento de fijación mecánico a través del segundo extremo del elemento de fijación mecánico. Cuando la deslaminación se propaga a través de la estructura de material compuesto o cuando la carga en la estructura de material compuesto es suficientemente alta para que la deslaminación se propague a través de la estructura de material compuesto incluso en presencia del elemento de fijación mecánico, el elemento de fijación mecánico falla, es decir se desprende rompiendo por tanto el circuito eléctrico formado por la fuente de corriente, el elemento de fijación mecánico y el dispositivo de medición de corriente, dando como resultado por tanto la detención del flujo de corriente eléctrica al dispositivo de medición de corriente, lo cual es indicativo por consiguiente de la propagación de deslaminación en la estructura de material compuesto.
En una realización de la disposición, las capas de la estructura de material compuesto a través de las cuales está posicionado longitudinalmente el elemento de fijación mecánico son capas de una carcasa de la pala de turbina eólica, por ejemplo, una región de borde de salida de la pala de turbina eólica, o una sección de raíz de la pala de turbina eólica.
En otra realización de la disposición, las capas de la estructura de material compuesto a través de las cuales está posicionado longitudinalmente el elemento de fijación mecánico son capas de un alma de cizalladura de la pala de turbina eólica.
En aún otra realización de la disposición, las capas de la estructura de material compuesto a través de las cuales está posicionado longitudinalmente el elemento de fijación mecánico son capas de un cordón de larguero de la pala de turbina eólica.
En un segundo aspecto de la presente técnica se proporciona una disposición para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica. La disposición incluye una pluralidad de elementos de fijación mecánicos, una fuente de corriente y un dispositivo de medición de corriente. Cada uno de los elementos de fijación mecánicos está posicionado longitudinalmente a través de capas de la estructura de material compuesto para reforzar la estructura de material compuesto. Los elementos de fijación mecánicos, por ejemplo, pernos, están realizados de un material eléctricamente conductor, por ejemplo acero inoxidable. Los elementos de fijación mecánicos están conectados eléctricamente entre sí en serie. Por tanto, la serie comprende un primer elemento de fijación mecánico y un último elemento de fijación mecánico. La fuente de corriente está conectada eléctricamente en un primer lado de la estructura de material compuesto a un primer extremo del primer elemento de fijación mecánico y proporciona una corriente eléctrica al primer elemento de fijación mecánico a través del primer extremo del primer elemento de fijación mecánico. Dado que los elementos de fijación mecánicos están conectados eléctricamente entre sí en serie, la corriente eléctrica proporcionada de ese modo al primer elemento de fijación mecánico fluye hasta el último elemento de fijación mecánico, a través de uno o más, si existen, elementos de fijación mecánicos posicionados de manera intermedia de la serie. El dispositivo de medición de corriente está conectado eléctricamente a un extremo del último elemento de fijación mecánico de tal manera que la corriente eléctrica que fluye desde el primer elemento de fijación mecánico hasta el último elemento de fijación mecánico fluye a través del último elemento de fijación mecánico y sale del último elemento de fijación mecánico y fluye al dispositivo de medición de corriente que determina la corriente eléctrica que sale del último elemento de fijación mecánico. Cuando la deslaminación se propaga a través de la estructura de material compuesto o cuando la carga en la estructura de material compuesto es suficientemente alta para que la deslaminación se propague a través de la estructura de material compuesto incluso en presencia de los elementos de fijación mecánicos, uno o más de los elementos de fijación mecánicos fallan, es decir se desprenden o se rompen, rompiendo por tanto el circuito eléctrico formado por la fuente de corriente, los elementos de fijación mecánicos dispuestos en serie y el dispositivo de medición de corriente, dando como resultado por tanto la detención del flujo de corriente eléctrica al dispositivo de medición de corriente, lo cual es indicativo por consiguiente de la propagación de deslaminación en la estructura de material compuesto.
En una realización de la disposición, las capas de la estructura de material compuesto a través de las cuales están posicionados longitudinalmente los elementos de fijación mecánicos son capas de una carcasa de la pala de turbina eólica, por ejemplo, una región de borde de salida de la pala de turbina eólica, o una sección de raíz de la pala de turbina eólica.
En otra realización de la disposición, las capas de la estructura de material compuesto a través de las cuales están posicionados longitudinalmente los elementos de fijación mecánicos son capas de un alma de cizalladura de la pala de turbina eólica.
En aún otra realización de la disposición, las capas de la estructura de material compuesto a través de las cuales están posicionados longitudinalmente los elementos de fijación mecánicos son capas de un cordón de larguero de la pala de turbina eólica.
En un tercer aspecto de la presente técnica se presenta un método para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica. En el método, se proporciona una disposición según el primer aspecto mencionado anteriormente o según el segundo aspecto mencionado anteriormente. A continuación, se activa la fuente de corriente de la disposición para proporcionar un flujo de corriente eléctrica en la disposición así proporcionada. Finalmente, en el método, se determina la corriente eléctrica medida por el dispositivo de medición de corriente de la disposición. Si la deslaminación no ha progresado, es decir si la integridad estructural de la estructura de material compuesto todavía es aceptable para el funcionamiento de la turbina eólica, el elemento o los elementos de fijación mecánicos en la estructura de material compuesto están intactos y, por tanto, el circuito eléctrico formado por la fuente de corriente, el uno o más de los elementos de fijación mecánicos y el dispositivo de medición de corriente está intacto y una corriente fluye desde la fuente de corriente al interior del dispositivo de medición de corriente a través del elemento o los elementos de fijación mecánicos que se mide en el mismo y es indicativa de la existencia de integridad estructural intacta de la estructura de material compuesto. Sin embargo, cuando la deslaminación se propaga a través de la estructura de material compuesto o cuando la carga en la estructura de material compuesto es suficientemente alta para que la deslaminación se propague a través de la estructura de material compuesto incluso en presencia del elemento o los elementos de fijación mecánicos, el elemento de fijación mecánico o uno o más de los elementos de fijación mecánicos fallan, es decir se desprenden o se rompen y por tanto se rompe el circuito eléctrico formado por la fuente de corriente, el elemento o los elementos de fijación mecánicos y el dispositivo de medición de corriente, dando como resultado por consiguiente la detención del flujo de corriente eléctrica al dispositivo de medición de corriente, lo cual es indicativo por consiguiente de la propagación de deslaminación en la estructura de material compuesto.
Los atributos mencionados anteriormente y otras características y ventajas de la presente técnica y la manera de conseguirlos resultarán más evidentes y la presente técnica propiamente dicha se comprenderá mejor mediante referencia a la siguiente descripción de realizaciones de la presente técnica tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 representa esquemáticamente una turbina eólica que tiene una pala de rotor de turbina eólica en la que pueden incorporarse incorporadas disposiciones de la presente técnica;
la figura 2 representa esquemáticamente la pala de rotor de turbina eólica en la que pueden incorporarse disposiciones de la presente técnica;
la figura 3 representa esquemáticamente una vista en sección transversal de una superficie aerodinámica de la pala de rotor de turbina eólica en la que pueden incorporarse disposiciones de la presente técnica;
la figura 4 representa esquemáticamente una realización a modo de ejemplo de una disposición, en una estructura de material compuesto, según el primer aspecto de la presente técnica;
la figura 5 representa esquemáticamente un estado de la disposición de la figura 4 que indica el progreso de la deslaminación en la estructura de material compuesto;
la figura 6 representa esquemáticamente una realización a modo de ejemplo de una disposición, en la estructura de material compuesto, según el segundo aspecto de la presente técnica;
la figura 7 representa esquemáticamente otra realización a modo de ejemplo de la disposición, en la estructura de material compuesto, según el segundo aspecto de la presente técnica; y
la figura 8 representa esquemáticamente una sección de raíz de la pala de rotor de la turbina eólica de la figura 2 y una orientación a modo de ejemplo de la disposición según el segundo aspecto de la presente técnica en la sección de raíz.
A continuación, en el presente documento, se describen en detalle características mencionadas anteriormente y otras de la presente técnica. Se describen diversas realizaciones con referencia a los dibujos, en los que se usan números de referencia similares para hacer referencia a elementos similares en todo el documento. En la siguiente descripción, con fines de explicación, se exponen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión profunda de una o más realizaciones. Puede observarse que se pretende que las realizaciones ilustradas expliquen, y no limiten, la invención. Pude ser evidente que tales realizaciones pueden llevarse a la práctica sin estos detalles específicos.
Puede observarse que, en la presente divulgación, los términos “primero”, “segundo”, “tercero”, etc., se usan en el presente documento sólo para facilitar la descripción y no comportan ningún significado temporal o cronológico particular a menos que se indique lo contrario.
La figura 1 muestra una realización a modo de ejemplo de una turbina 100 eólica de la presente técnica. La turbina 100 eólica incluye una torre 120, que está montada sobre una cimentación (no mostrada). Una góndola 122 está montada encima de la torre 120 y es rotatoria con respecto a la torre 120 por medio de un mecanismo 121 de ajuste de ángulo de guiñada tal como cojinetes de guiñada y motores de guiñada. El mecanismo 121 de ajuste de ángulo de guiñada funciona para hacer rotar la góndola 122 alrededor de un eje vertical (no mostrado), denominado eje de guiñada, que está alineado con la extensión longitudinal de la torre 120. El mecanismo 121 de ajuste de ángulo de guiñada hace rotar la góndola 122 durante el funcionamiento de la turbina 100 eólica para garantizar que la góndola 122 está alineada apropiadamente con la dirección de viento actual a la que está sometida la turbina 100 eólica.
La turbina 100 eólica incluye además un rotor 110 que tiene al menos una pala 10 de rotor, y generalmente tres palas 10 de rotor, aunque en la vista en perspectiva de la figura 1 sólo son visibles dos palas 10 de rotor. Una de las palas 10 de rotor se representa esquemáticamente en la figura 2. El rotor 110 es rotatorio alrededor de un eje 110a de rotación. Las palas 10 de rotor, también denominadas a continuación en el presente documento palas 10 o pala 10 cuando se hace referencia a una de las palas 10, están montadas generalmente en un anillo 112 de accionamiento, también denominado buje 112. El buje 112 está montado de manera rotatoria con respecto a la góndola 122 por medio de un cojinete principal (no mostrado). El buje 112 es rotatorio alrededor del eje 110a de rotación. Cada una de las palas 10 se extiende radialmente con respecto al eje 110a de rotación y tiene una sección 20 de superficie aerodinámica.
Entre el buje 112 y cada una de las palas 10 de rotor, se proporciona un mecanismo 116 de ajuste de pala con el fin de ajustar el ángulo de paso de pala de la pala 10 haciendo rotar la pala 10 respectiva alrededor de un eje longitudinal (no mostrado) de la pala 10. El eje longitudinal de cada una de las palas 10 está alineado sustancialmente en paralelo con la extensión longitudinal de la pala 10 respectiva. El mecanismo 116 de ajuste de pala funciona para ajustar los ángulos de paso de pala de la pala 10 respectiva.
La turbina 100 eólica incluye un árbol 125 principal que acopla de manera rotatoria el rotor 110, particularmente el buje 112, a un generador 128 alojado dentro de la góndola 122. El buje 112 está conectado a un rotor del generador 128. En una realización a modo de ejemplo (no mostrada) de la turbina 100 eólica, el buje 112 está conectado directamente al rotor del generador 128, la turbina 100 eólica se denomina por tanto turbina 100 eólica de accionamiento directo, sin multiplicador. Como alternativa, tal como se muestra en la realización a modo de ejemplo de la figura 1, la turbina 100 eólica incluye una caja 124 multiplicadora proporcionada dentro de la góndola 122 y el árbol 125 principal conecta el buje 112 al generador 128 por medio de la caja 124 multiplicadora, de modo que la turbina 100 eólica se denomina turbina 100 eólica con multiplicador. La caja 124 multiplicadora se usa para convertir el número de revoluciones del rotor 110 en un número más alto de revoluciones del árbol 125 principal y, por consiguiente, del rotor del generador 128. Además, se proporciona un freno 126 con el fin de detener el funcionamiento de la turbina 100 eólica o de reducir la velocidad de rotación del rotor 110, por ejemplo, en el caso de un viento muy fuerte y/o en el caso de una emergencia.
La turbina 100 eólica incluye además un sistema 150 de control para hacer funcionar la turbina 100 eólica con parámetros de funcionamiento deseados, por ejemplo, con un ángulo de guiñada deseado, con un paso de pala deseado, a una velocidad de rotación deseada del rotor 110 y así sucesivamente. El control y/o ajuste de los parámetros de funcionamiento se realizan para obtener una generación de potencia optimizada en las condiciones existentes, por ejemplo, en con las condiciones de viento existentes y otras condiciones meteorológicas.
La turbina 100 eólica puede incluir además diferentes sensores, por ejemplo, un sensor 143 de velocidad de rotación, un sensor 144 de potencia, sensores 142 de ángulo, etc., que proporcionan entradas al mecanismo 150 de control u otros componentes de la turbina 100 eólica para optimizar el funcionamiento de la turbina 100 eólica.
Además, tal como se muestra en la figura 2, la pala 10 de rotor incluye una sección 11 de raíz y una sección 20 de superficie aerodinámica. Generalmente, la pala 10 de rotor incluye una sección 90 de transición entre la sección 11 de raíz y la sección 20 de superficie aerodinámica. La sección 20 de superficie aerodinámica, también denominada a continuación en el presente documento superficie 20 aerodinámica, incluye una sección 12 de punta que tiene una punta 12a. Desde la sección 11 de raíz hasta la punta 12a discurre una envergadura 16 de la pala 10 de rotor, que sigue la forma de la pala 10 de rotor. Tal como se muestra en las figuras 2 y 3, la pala 10 de rotor incluye una sección 14 de borde de ataque que tiene el borde 14a de ataque, y una sección 13 de borde de salida que tiene el borde 13a de salida. La sección 13 de borde de salida rodea el borde 13a de salida. De manera similar, la sección 14 de borde de ataque rodea el borde 14a de ataque. La geometría, es decir la forma, de la pala 10 de rotor está definida por una carcasa 21, también denominada carcasa 21 de pala de la pala 10 de rotor. Con el fin de garantizar una resistencia y estabilidad suficientes, se proporciona un alma 22 o un alma 22 de cizalladura que se extiende entre una porción de lado de aspiración y una porción de lado de presión de la carcasa 21 de pala. El alma 22 se extiende normalmente por la mayor parte de la longitud de la pala 10 de rotor, es decir desde la sección 11 de raíz hasta la sección 12 de punta de la pala 10 de rotor. En estas porciones de la carcasa 21 de pala en las que el alma 22 concurre con la carcasa 21 de pala, la carcasa 21 de pala está reforzada mediante uno o más cordones 24a, 24b de larguero. Los cordones 24a, 24b de larguero pueden tener el denominado “diseño de carcasa estructural”, es decir en el que los cordones 24a, 24b de larguero están integrados o incorporados dentro de la estructura de la carcasa 21, es decir la carcasa 21 exterior. La carcasa 21 de pala es generalmente una estructura de material compuesto. La carcasa 21 de pala puede formarse de una sola pieza tal como realiza Siemens en su procedimiento de fabricación muy conocido de Integral Blade o alternativamente se forman una parte de barlovento y una parte de sotavento, cada una de las cuales es media carcasa, y a continuación estas medias carcasas se unen entre sí para formar la carcasa 21 de pala. Como ejemplo, la figura 3 representa las partes 21a, 21b que representan partes de la carcasa 21 de pala que tienen estructuras de material compuesto. Además de la carcasa 21 de pala o las partes 21a, 21b de la carcasa 21 de pala o la sección 11 de raíz de la pala 10, el alma 22 de cizalladura y los cordones 24a, 24b de larguero representan otros ejemplos de componentes de turbina eólica que tienen estructuras de material compuesto, es decir que están configurados normalmente como una estructura laminada que comprende un material de plástico reforzado con fibra o tejidos y materiales de núcleo, por ejemplo madera de balsa, madera contrachapada, espuma, etc.
A continuación en el presente documento se hace referencia a las figuras 4 y 5 para explicar una realización a modo de ejemplo de una disposición 1 para la vigilancia de la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto en el componente de turbina eólica según el primer aspecto de la presente técnica mientras que se hace referencia a las figuras 5 a 8 para explicar una realización a modo de ejemplo de una disposición 1a para la vigilancia de la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto en el componente de turbina eólica según el segundo aspecto de la presente técnica.
La disposición 1, 1a se usa para vigilar la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto en el componente de turbina eólica, es decir para determinar el comienzo de la deslaminación y/o para determinar la progresión o el avance o la extensión de la deslaminación en la estructura 25 de material compuesto del componente de turbina eólica. Tal componente de turbina eólica que comprende la estructura 25 de material compuesto puede ser, pero no se limita a, la carcasa 21 de la pala 10, el alma 22, la sección 11 de raíz o el uno o más cordones 24a, 24b de larguero tal como se explicó anteriormente en el presente documento en referencia a las figuras 1 a 3.
El concepto básico de la invención es usar uno o más elementos de fijación mecánicos formados de material eléctricamente conductor para reforzar una estructura de material compuesto en un componente de turbina eólica, por ejemplo la carcasa 21, el alma 22 o el cordón 24a, 24b de larguero, o la sección 11 de raíz de la pala 10 de turbina eólica. Los elementos de fijación están conectados eléctricamente en serie cuando se usan múltiples elementos de fijación. La técnica incluye una fuente de corriente que proporciona corriente eléctrica al uno o más elementos de fijación y un dispositivo de medición de corriente que determina la corriente eléctrica que sale del uno o más elementos de fijación. La fuente de corriente, el uno o más elementos de fijación y el dispositivo de medición de corriente forman juntos un circuito eléctrico a través del cual fluye corriente siempre que no se desprenda ninguno del uno o más elementos de fijación. Sin embargo, el comienzo o la progresión de la deslaminación en el material compuesto reforzado con elementos de fijación da como resultado el desprendimiento de uno o más de los elementos de fijación de refuerzo dando como resultado la rotura del circuito eléctrico y la detención del flujo de corriente al dispositivo de medición de corriente.
La figura 4 representa esquemáticamente una realización a modo de ejemplo de la disposición 1 en la estructura 25 de material compuesto y la figura 5 representa esquemáticamente un estado de la disposición 1 de la figura 4 que indica un progreso de la deslaminación en la estructura 25 de material compuesto. La disposición 1 incluye al menos un elemento 41 de fijación mecánico, una fuente 30 de corriente y un dispositivo 50 de medición de corriente.
El elemento 41 de fijación mecánico puede ser, pero no se limita a, un perno, es decir un perno de acoplamiento con una tuerca roscada correspondiente. Otro ejemplo del elemento 41 de fijación mecánico puede ser un remache. Tal como se muestra en la figura 4 el elemento 41 de fijación mecánico, también denominado a continuación en el presente documento elemento 41 de fijación, está posicionado longitudinalmente a través de capas 5 de la estructura 25 de material compuesto. El elemento 41 de fijación mecánico refuerza la estructura 25 de material compuesto o, dicho de otro modo, ayuda a mantener juntas las capas 5 además del material de unión tal como una resina que puede estar presente entre las capas 5 para unir las capas 5 entre sí. El elemento 41 de fijación se aplica a la pila de capas 5 que forman la estructura 25 de material compuesto, también denominada a continuación en el presente documento estructura 25, o bien para proporcionar soporte adicional para impedir la deslaminación de las capas 5 en capas 5 unidas con resina de otro modo, o bien para corregir o reparar un caso existente de deslaminación y posteriormente mantener en estado corregido o reparado la estructura 25. Generalmente, se usa un elemento 41 de fijación mecánico que tiene un diámetro de aproximadamente 8 mm a aproximadamente 16 mm.
El elemento 41 de fijación mecánico está realizado de un material eléctricamente conductor, por ejemplo acero inoxidable. Preferiblemente se usan pernos de acero inoxidable de alta resistencia a la tracción. Por tanto, una corriente eléctrica introducida en un extremo del elemento 41 de fijación, por ejemplo en un primer extremo 41a del elemento 41 de fijación, fluye a través del cuerpo del elemento 41 de fijación a lo largo de la dirección del eje longitudinal del elemento 41 de fijación y sale en el otro extremo del elemento 41 de fijación, es decir un segundo extremo 41b del elemento 41 de fijación. Los extremos 41a, 41b del elemento 41 de fijación pueden sobresalir de la estructura 25, tal como se muestra en la figura 4 que representa el primer extremo 41a que sobresale de la estructura 25 en un primer lado o cara 25a de la estructura 25 y el segundo extremo 41b que sobresale de la estructura 25 en un segundo lado o cara 25b de la estructura 25. Alternativamente, los extremos 41a, 41b del elemento 41 de fijación pueden estar alineados con las superficies de los lados 25a, 25b de la estructura 25.
La fuente 30 de corriente está conectada eléctricamente, por medio de un conector 9a eléctrico tal como un cable 9a, al primer extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico en el primer lado 25a de la estructura 25 de material compuesto. Cuando se activa la fuente 30 de corriente se proporciona una corriente eléctrica al elemento 41 de fijación mecánico a través del primer extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico. La fuente 30 de corriente puede ser una batería o un generador o una fuente de potencia que obtiene potencia de la salida de la turbina 100 eólica. Preferiblemente, la corriente eléctrica proporcionada es de entre 1 V (voltio) y 60 V y entre más de 0 mA y menos de igual a 20 mA, por ejemplo la corriente eléctrica puede ser de 24 V, 5 mA.
El dispositivo 50 de medición de corriente está conectado eléctricamente, por medio de un conector 9b eléctrico tal como un cable 9b, a un segundo extremo 41b del elemento 41 de fijación mecánico en el segundo lado 25b de la estructura 25 de material compuesto. El dispositivo 50 de medición de corriente puede ser un dispositivo sencillo que detecta la presencia o ausencia del flujo de corriente que sale del elemento 41 de fijación mecánico a través del segundo extremo 41b del elemento 41 de fijación mecánico. El dispositivo 50 de medición de corriente puede ser un módulo de entrada/salida, denominado habitualmente módulo I/O, y se conoce bien en la técnica de turbinas eólicas y por tanto no se explica en el presente documento en más detalle por motivos de brevedad. El conector 9b eléctrico puede extenderse hasta el primer lado 25a de la estructura 25 de material compuesto a través de un orificio perforado de pequeño diámetro, por ejemplo un orificio 99 que tiene un diámetro de entre 1 mm y 3 mm. Como resultado la fuente 30 de corriente y el dispositivo 50 pueden estar ubicados en el mismo lado de la estructura 25 de material compuesto, por ejemplo en la cavidad 15 tal como se muestra en la figura 3 cuando la estructura 25 de material compuesto es la carcasa 21 de la pala 10.
Por tanto, cuando las capas 5 no están deslaminadas y por tanto el elemento 41 de fijación mecánico está estructuralmente intacto, el circuito eléctrico formado por la fuente 30 de corriente, el elemento 41 de fijación mecánico y el dispositivo 50 está cerrado y de ese modo una entrada de corriente en el extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico fluye al extremo 41b y se detecta como presente por el dispositivo 50. Por tanto, una lectura o determinación del flujo de corriente en el circuito indica un estado de la estructura 25 de material compuesto en el que las capas 5 no están deslaminadas o no lo suficientemente deslaminadas como para dar como resultado un fallo estructural de la estructura 25 de material compuesto.
Cuando se hace funcionar la turbina 100 eólica, el elemento 41 de fijación mecánico se somete a tensiones cíclicas repetidas y esto puede provocar el desprendimiento o rotura del elemento 41 de fijación mecánico tal como se representa en la figura 5 que representa una región 45 desprendida en el elemento 41 de fijación mecánico. Las capas 5 ya no están reforzadas por el elemento 41 de fijación mecánico y por tanto se deslaminan tal como se muestra en una región marcada por el número de referencia 55. Como resultado del desprendimiento o rotura del elemento 41 de fijación mecánico, el circuito eléctrico formado por la fuente 30 de corriente, el elemento 41 de fijación mecánico y el dispositivo 50 de medición de corriente se rompe dando como resultado la detención del flujo de corriente eléctrica al dispositivo 50 de medición de corriente. Por tanto, la ausencia de flujo de corriente eléctrica en el circuito aunque la fuente 30 de corriente esté proporcionando corriente al primer extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico es indicativa de la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto.
A continuación en el presente documento, se explica una disposición 1a para la vigilancia de la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto en el componente de turbina eólica con referencia a las figuras 6 a 8.
Tal como se muestra en la figura 6, en una realización a modo de ejemplo de la disposición 1a, la disposición 1a incluye una pluralidad de elementos 41, 42 de fijación mecánicos, dos elementos de fijación en el ejemplo de la figura 6. Cada elemento 41, 42 de fijación está posicionado longitudinalmente a través de las capas 5 de la estructura 25 de material compuesto y refuerza la estructura 25 de material compuesto. Cada uno de los elementos 41, 42 de fijación mecánicos de la figura 6 es el mismo que el elemento 41 de fijación mecánico de la figura 4 y está orientado de manera similar dentro de la estructura 25. Los elementos 41, 42 de fijación mecánicos están realizados de material eléctricamente conductor y están conectados eléctricamente entre sí en serie, por ejemplo por medio del conector 9c eléctrico o el cable 9c que conecta el segundo extremo 41b del elemento 41 de fijación mecánico al segundo extremo 42b del elemento 42 de fijación mecánico. Por tanto, a lo largo del sentido del flujo de corriente proporcionada por la fuente 30 de corriente y que fluye hacia el dispositivo 50, la serie incluye un primer elemento 41 de fijación mecánico y un último elemento 42 de fijación mecánico. La fuente 30 de corriente está conectada eléctricamente, por ejemplo por medio del cable 9a, al primer elemento 41 de fijación mecánico y proporciona una corriente eléctrica al primer elemento 41 de fijación mecánico de manera similar a lo explicado para la figura 4. El dispositivo 50 de medición de corriente está conectado eléctricamente, por ejemplo por medio del cable 9b al último elemento 42 de fijación mecánico y determina la corriente eléctrica que sale del último elemento 42 de fijación mecánico de manera similar a lo explicado para la figura 4.
Dado que los elementos 41, 42 de fijación mecánicos están conectados eléctricamente entre sí en serie, la corriente eléctrica proporcionada de este modo por la fuente 30 de corriente al primer elemento 41 de fijación mecánico fluye hasta el último elemento 42 de fijación mecánico y del mismo hasta el dispositivo 50. Por tanto, cuando las capas 5 no están deslaminadas y por tanto ambos elementos 41, 42 de fijación mecánicos están estructuralmente intactos, el circuito eléctrico formado por la fuente 30 de corriente, los elementos 41, 42 de fijación mecánicos y el dispositivo 50 está cerrado y de ese modo una entrada de corriente en el extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico fluye al extremo 42a del elemento 42 de fijación mecánico y se detecta como presente por el dispositivo 50. Por tanto, una lectura o determinación del flujo de corriente en el circuito indica un estado de la estructura 25 de material compuesto en el que las capas 5 no están deslaminadas o no lo suficientemente deslaminadas como para dar como resultado un fallo estructural de la estructura 25 de material compuesto.
Cuando se hace funcionar la turbina 100 eólica, los elementos 41, 42 de fijación mecánicos se someten a tensiones cíclicas repetidas y esto puede provocar el desprendimiento o la rotura de uno o ambos de los elementos 41, 42 de fijación mecánicos de una manera similar a lo representado en la figura 5. Las capas 5 ya no están reforzadas por el uno o ambos de los elementos 41, 42 de fijación mecánicos desprendidos y por tanto se deslaminan. Como resultado del desprendimiento o la rotura del uno o ambos elementos 41, 42 de fijación mecánicos el circuito eléctrico formado por la fuente 30 de corriente, los elementos 41, 42 de fijación mecánicos y el dispositivo 50 se rompe dando como resultado la detención del flujo de corriente eléctrica al dispositivo 50 de medición de corriente. Por tanto, la ausencia de flujo de corriente eléctrica en el circuito aunque la fuente 30 de corriente esté proporcionando corriente al primer extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico es indicativa de la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto.
Tal como se muestra en la figura 7, en otra realización a modo de ejemplo de la disposición 1a, la disposición 1a incluye tres o más elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos. Cada elemento 41, 42, 43 de fijación está posicionado longitudinalmente a través de las capas 5 de la estructura 25 de material compuesto y refuerza la estructura 25 de material compuesto. Cada uno de los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos de la figura 7 es el mismo que el elemento 41 de fijación mecánico de la figura 4 y está orientado de manera similar dentro de la estructura 25. Los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos están realizados de material eléctricamente conductor y están conectados eléctricamente entre sí en serie, por ejemplo por medio del cable 9c que conecta el segundo extremo 41b del elemento 41 de fijación mecánico al segundo extremo 42b del elemento 42 de fijación mecánico y el cable 9d que conecta el primer extremo 42a del elemento 42 de fijación mecánico al primer extremo 43a del elemento 43 de fijación mecánico. Por tanto, a lo largo del sentido de flujo de corriente proporcionada por la fuente 30 de corriente y que fluye hacia el dispositivo 50, la serie incluye un primer elemento 41 de fijación mecánico, un elemento 42 de fijación mecánico intermedio y un último elemento 43 de fijación mecánico. La fuente 30 de corriente está conectada eléctricamente, por ejemplo por medio del cable 9a, al primer elemento 41 de fijación mecánico y proporciona una corriente eléctrica al primer elemento 41 de fijación mecánico de manera similar a lo explicado para la figura 6. El dispositivo 50 de medición de corriente está conectado eléctricamente, por ejemplo por medio del cable 9b que pasa a través del orificio 99 al último elemento 43 de fijación mecánico y determina la corriente eléctrica que sale del último elemento 43 de fijación mecánico de manera similar a lo explicado para la figura 6.
Dado que los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos están conectados eléctricamente entre sí en serie, la corriente eléctrica proporcionada de este modo por la fuente 30 de corriente al primer elemento 41 de fijación mecánico fluye hasta el último elemento 43 de fijación mecánico a través del elemento 42 de fijación mecánico y del mismo hasta el dispositivo 50. Por tanto, cuando las capas 5 no están deslaminadas y por tanto todos los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos están estructuralmente intactos, el circuito eléctrico formado por la fuente 30 de corriente, los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos y el dispositivo 50 está cerrado y de ese modo una entrada de corriente en el extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico fluye al extremo 43b del elemento 43 de fijación mecánico y se detecta como presente por el dispositivo 50. Por tanto, una lectura o determinación del flujo de corriente en el circuito indica un estado de la estructura 25 de material compuesto en el que las capas 5 no están deslaminadas o no lo suficientemente deslaminadas como para dar como resultado un fallo estructural de la estructura 25 de material compuesto.
Cuando se hace funcionar la turbina 100 eólica, los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos se someten a tensiones cíclicas repetidas y esto puede provocar el desprendimiento o la rotura de uno o más de los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos de una manera similar a lo representado en la figura 5. Las capas 5 ya no están reforzadas por el uno o más de los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos desprendidos y por tanto se deslaminan. Como resultado del desprendimiento o la rotura del uno o más elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos el circuito eléctrico formado por la fuente 30 de corriente, los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos y el dispositivo 50 se rompe dando como resultado la detención del flujo de corriente eléctrica al dispositivo 50 de medición de corriente. Por tanto, la ausencia de flujo de corriente eléctrica en el circuito aunque la fuente 30 de corriente esté proporcionando corriente al primer extremo 41a del elemento 41 de fijación mecánico es indicativa de la propagación de deslaminación en la estructura 25 de material compuesto.
La figura 8 proporciona un esquema de orientación y colocación de los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos en la sección 11 de raíz de la pala 10. Los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos están posicionados alrededor de la circunferencia de la raíz 11. En el ejemplo de la figura 8, cuatro ubicaciones 11a, 11b, 11c y 11d en las que están posicionados los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos alrededor de la raíz 11 están separadas de manera equidistante unas de otras. Las flechas en cada una de las ubicaciones 11a, 11b, 11c y 11d representan esquemáticamente orientaciones de los elementos 41, 42, 43 de fijación mecánicos unos con respecto a los otros. La fuente 30 de corriente (no mostrada en la figura 8) puede estar posicionada dentro de la cavidad 11m de la sección 11 de raíz. La corriente puede fluir desde dentro de la cavidad 11m hasta el exterior de la raíz 11 por medio de un primer elemento de fijación mecánico (no mostrado en la figura 8) en la ubicación 11a, luego a través de un cable (no mostrado en la figura 8) hasta un segundo elemento de fijación mecánico (no mostrado en la figura 8) en la ubicación 11b. En la ubicación 11b la corriente fluye desde el exterior de la raíz 11 hasta el interior de la cavidad 11m por medio del segundo elemento de fijación mecánico, luego a través de un cable (no mostrado en la figura 8) hasta un tercer elemento de fijación mecánico (no mostrado en la figura 8) en la ubicación 11c, y así sucesivamente hasta que la corriente fluye finalmente por medio del cuarto elemento de fijación mecánico (no mostrado) en la ubicación 11d hasta el interior de la cavidad 11m y al interior del dispositivo 50 (no mostrado en la figura 8) que puede estar posicionado en la cavidad 11m. El número de elementos de fijación mecánicos puede ser mayor o menor de 4. Mediante una disposición 1a de este tipo en la sección 11 de raíz, se realiza la vigilancia de la propagación de deslaminación en la sección 11 de raíz.
En un tercer aspecto de la presente técnica se presenta un método para la vigilancia de la propagación de deslaminación en la estructura de material compuesto en el componente de turbina eólica. En el método, se proporciona la disposición 1 tal como se explica en la figura 4 o la disposición 1a tal como se explica para las figuras 6 a 8. A continuación, se activa la fuente 50 de corriente de la disposición 1, 1a para proporcionar un flujo de corriente eléctrica en la disposición 1, 1a proporcionada de este modo. Finalmente en el método, se determina la corriente eléctrica medida por el dispositivo 50 de medición de corriente de la disposición 1, 1a.
Aunque la presente técnica se ha descrito en detalle con referencia a determinadas realizaciones, debe apreciarse que la presente técnica no se limita a esas realizaciones precisas. En vez de eso, en vista de la presente divulgación que describe modos a modo de ejemplo para llevar a la práctica la invención, muchas modificaciones y variaciones se les ocurrirán a los expertos en la técnica sin apartarse del alcance de esta invención. Por tanto, el alcance de la invención está indicado por las siguientes reivindicaciones en vez de por la descripción anterior. Debe considerarse que todos los cambios, modificaciones y variaciones que entran dentro del significado de las reivindicaciones están dentro de su alcance.
Lista de números de referencia
1 disposición según el primer aspecto
1a disposición según el segundo aspecto
5 capas de la estructura de material compuesto
9a-d conectores eléctricos
10 pala de rotor
11 sección de raíz
11a-d ubicaciones en la sección de raíz
11m cavidad en la sección de raíz
12 sección de punta
12a punta
13 sección de borde de salida
13a borde de salida
14 sección de borde de ataque
14a borde de ataque
15 cavidad
16 envergadura
17 línea de cuerda
18 protuberancia
19 sección de transición
20 sección de superficie aerodinámica
21 carcasa
21a parte de la carcasa
b parte de la carcasa
alma
a cordón de larguero
b cordón de larguero
estructura de material compuesto
a primer lado de la estructura de material compuesto b segundo lado de la estructura de material compuesto fuente de corriente
primer elemento de fijación mecánico
a primer lado del primer elemento de fijación mecánico b segundo lado del primer elemento de fijación mecánico segundo elemento de fijación mecánico
a primer lado del segundo elemento de fijación mecánico b segundo lado del segundo elemento de fijación mecánico tercer elemento de fijación mecánico
a primer lado del tercer elemento de fijación mecánico b segundo lado del tercer elemento de fijación mecánico dispositivo de medición de corriente
0 turbina eólica
0 rotor
0a eje de rotación
2 buje
6 mecanismo de ajuste de pala
0 torre
1 mecanismo de ajuste de ángulo de guiñada
2 góndola
4 caja multiplicadora
5 árbol principal
6 freno
8 generador
2 sensor de ángulo
3 sensor de velocidad de rotación
4 sensor de potencia
sistema de control
pala de rotor conocida convencionalmente

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Disposición (1) para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura (25) de material compuesto en un componente de turbina eólica, comprendiendo la disposición (1):
    - al menos un elemento (41) de fijación mecánico posicionado longitudinalmente a través de capas (5) de la estructura (25) de material compuesto para reforzar la estructura (25) de material compuesto, en la que el elemento (41) de fijación mecánico está realizado de un material eléctricamente conductor; caracterizada porque comprende además:
    - una fuente (30) de corriente conectada eléctricamente a un primer extremo (41a) del elemento (41) de fijación mecánico y configurada para proporcionar una corriente eléctrica al elemento (41) de fijación mecánico a través del primer extremo (41a) del elemento (41) de fijación mecánico; y
    - un dispositivo (50) de medición de corriente conectado eléctricamente a un segundo extremo (41b) del elemento (41) de fijación mecánico y configurado para determinar la corriente eléctrica que sale del elemento (41) de fijación mecánico a través del segundo extremo (41b) del elemento (41) de fijación mecánico.
  2. 2. Disposición (1) según la reivindicación 1, en la que el elemento (41) de fijación mecánico es un perno.
  3. 3. Disposición (1) según la reivindicación 1 ó 2, en la que el material eléctricamente conductor es acero inoxidable.
  4. 4. Disposición (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual está posicionado longitudinalmente el elemento (41) de fijación mecánico es una carcasa (21) de la pala (10) de turbina eólica.
  5. 5. Disposición (1) según la reivindicación 4, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual está posicionado longitudinalmente el elemento (41) de fijación mecánico es una sección (11) de raíz de la pala (10) de turbina eólica.
  6. 6. Disposición (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual está posicionado longitudinalmente el elemento (41) de fijación mecánico es un alma (22) de la pala (10) de turbina eólica.
  7. 7. Disposición (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual está posicionado longitudinalmente el elemento (41) de fijación mecánico es un cordón (24a, 24b) de larguero de la pala (10) de turbina eólica.
  8. 8. Disposición (1a) según la reivindicación 1, comprendiendo la disposición (1a):
    - al menos un elemento (41, 42, 43) de fijación mecánico adicional posicionado longitudinalmente a través de capas (5) de la estructura (25) de material compuesto para reforzar la estructura (25) de material compuesto, en la que el al menos un elemento (41, 42, 43) de fijación mecánico adicional está realizado de un material eléctricamente conductor y está conectado eléctricamente al al menos un elemento de fijación mecánico en serie, y en la que la serie comprende un primer elemento (41) de fijación mecánico y un último elemento (42, 43) de fijación mecánico;
    - en la que la fuente (30) de corriente está conectada eléctricamente al primer elemento (41) de fijación mecánico y configurada para proporcionar una corriente eléctrica al primer elemento (41) de fijación mecánico; y
    - en la que el dispositivo (50) de medición de corriente está conectado eléctricamente al último elemento (42, 43) de fijación mecánico y configurado para determinar la corriente eléctrica que sale del último elemento (42, 43) de fijación mecánico.
  9. 9. Disposición (1a) según la reivindicación 8, en la que al menos uno de los elementos (41, 42, 43) de fijación mecánicos es un perno.
  10. 10. Disposición (1a) según la reivindicación 8 ó 9, en la que el material eléctricamente conductor es acero inoxidable.
  11. 11. Disposición (1a) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual están posicionados longitudinalmente los elementos (41, 42, 43) de fijación mecánicos es una carcasa (21) de la pala (10) de turbina eólica.
    Disposición (1a) según la reivindicación 11, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual están posicionados longitudinalmente los elementos (41, 42, 43) de fijación mecánicos es una sección (11) de raíz de la pala (10) de turbina eólica.
    Disposición (1a) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual están posicionados longitudinalmente los elementos (41, 42, 43) de fijación mecánicos es un alma (22) de la pala (10) de turbina eólica.
    Disposición (1a) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en la que la estructura (25) de material compuesto a través de la cual están posicionados longitudinalmente los elementos (41, 42, 43) de fijación mecánicos es un cordón (24a, 24b) de larguero de la pala (10) de turbina eólica.
    Método para la vigilancia de la propagación de deslaminación en una estructura (25) de material compuesto en un componente de turbina eólica, comprendiendo el método:
    - proporcionar una disposición (1, 1a) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14;
    - activar la fuente (30) de corriente de la disposición (1, 1a) para proporcionar flujo de corriente eléctrica en la disposición (1, 1a);
    - determinar la corriente eléctrica medida por el dispositivo (50) de medición de corriente de la disposición (1, 1a).
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