ES2902012T3

ES2902012T3 - Protección del borde de ataque de una pala de aerogenerador

Info

Publication number: ES2902012T3
Application number: ES17725164T
Authority: ES
Inventors: Wout Ruijter; Christian Meldgaard; Brian Bækdahl Damgaard
Original assignee: Vestas Offshore Wind AS
Current assignee: Vestas Offshore Wind AS
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: CN109477458B; KR102326966B1; EP3458710B1; JP6928813B2; KR20190010609A; WO2017198267A1; EP3458710A1; JP2019518161A; US20190293050A1; CN109477458A

Abstract

Un método de preparación de una pala de aerogenerador (110) con una protección del borde de ataque, la pala de aerogenerador que se extiende una longitud entre un extremo de raíz (202) y un extremo de punta (203) de la pala, y que se extiende una anchura entre un borde de salida (205) y un borde de ataque (206), la pala de aerogenerador que comprende una parte de superficie externa (210) que comprende al menos una parte del borde de ataque, el método que comprende: - aplicar una primera capa de pintura (301) sobre la parte de la superficie de la pala, - aplicar una capa de material fibroso (302) en la parte superior de la primera capa de pintura, - aplicar una segunda capa de pintura (303) sobre la capa de material fibroso, y permitir que se cure la protección del borde de ataque aplicada; en donde la segunda capa de pintura (303) se aplica para impregnar, al menos parcialmente, la capa de material fibroso (302).

Description

DESCRIPCIÓN

Protección del borde de ataque de una pala de aerogenerador

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método para preparar una pala de aerogenerador con una protección del borde de ataque.

Antecedentes de la invención

Los aerogeneradores modernos continúan aumentando de tamaño y están equipados con palas de aerogenerador cada vez más largas con el fin de aumentar la producción de energía. A medida que las palas son más largas, las velocidades de las partículas que impactan sobre la superficie de la pala aumentan de manera correspondiente. La lluvia, el granizo, la niebla salina y otras partículas de residuos impactan en la superficie de la pala a hasta 400 km/h o incluso más, causando potencialmente daños significativos por erosión. Especialmente el borde de ataque del aerogenerador y, en particular, la parte más externa de la pala del aerogenerador más cercana a la punta está expuesto a la erosión. Si las palas del aerogenerador no están suficientemente protegidas o si la protección está desgastada, con el tiempo las palas sufren picaduras, hendiduras y deslaminación, lo que afecta significativamente a la eficiencia aerodinámica e incluso puede tener un impacto en la integridad estructural de toda la pala. Un rendimiento deficiente de la pala puede reducir la producción anual de energía y el tiempo de inactividad por reparación es costoso.

La protección del borde de ataque se puede obtener montando una cubierta o escudo de protección prefabricado sobre la superficie exterior del aerogenerador terminado, como se describe, por ejemplo, en los documentos EP2416950, WO 2008/157013 o WO 2013/092211. No obstante, una cubierta prefabricada es difícil de fabricar tal como para ajustarse perfectamente a la geometría tridimensional de la pala a lo largo de la longitud del borde de ataque, que es necesaria para obtener una unión fuerte a la pala y obtener un borde de ataque resultante con una geometría bien controlada y con una transición suave desde la cubierta hasta el armazón de la pala. Además, las cubiertas de borde de ataque prefabricadas son difíciles, si no imposibles, de manipular y gestionar durante la reparación de una pala de aerogenerador dañada que todavía está unida al buje del aerogenerador.

También se conoce la aplicación de películas o cintas de superficie en el área del borde de ataque para aumentar la protección contra la erosión. Estas, del mismo modo, son difíciles de aplicar en el sitio para una mayor protección o reparación de una pala de aerogenerador ya montada. Además, se ha visto que las cintas de erosión se rompen con partes de cinta parcialmente sueltas que ondean libremente con el viento. Esto disminuye el rendimiento aerodinámico de la pala y puede formar una fuente significativa de ruido.

También se diseñan especialmente y comercializan diferentes recubrimientos para proporcionar una mejor resistencia a la erosión, tales como el Recubrimiento Protector de Palas Eólicas de 3M W4600 y W4601, el ReNEW W-Series, el HC05XP1 de Hontek o un recubrimiento RELEST Wind de BASF. En general, cuanto más espesa es la capa de recubrimiento, más tiempo puede la pala resistir la erosión. No obstante, los recubrimientos solamente se pueden aplicar en capas finas para evitar canales. Además, existen problemas con las inclusiones de aire, la inclusión de humedad cuando se pinta en campo, etc. El espesor de la capa de recubrimiento deseado se puede construir entonces mediante la aplicación de múltiples capas más finas, lo que es laborioso y lento. Se ha visto además que las interfaces entre las capas de recubrimiento debilitan la fuerza y la resistencia a la erosión del recubrimiento en general en comparación con un recubrimiento de una única capa del mismo espesor.

El documento WO2008/157013 describe un recubrimiento relacionado con la resistencia a la erosión de las palas. El documento US2010/0135820 describe un método de reparación para un laminado de tapa de larguero de pala de aerogenerador.

Objeto de la invención

Es un objeto de las realizaciones de la presente invención superar, o al menos reducir, algunas o todas las desventajas descritas anteriormente proporcionando un método de preparación de una pala de aerogenerador que produzca una protección mejorada del borde de ataque contra la erosión y el desgaste.

Es un objeto de las realizaciones de la invención proporcionar un método de preparación de una pala de aerogenerador aplicable tanto al proceso de fabricación de la pala de aerogenerador como para su reparación o mantenimiento y, en particular, para operaciones en el sitio.

Un objeto adicional de las realizaciones de la invención es proporcionar un método simple pero eficaz para mejorar la resistencia a la erosión que se puede realizar en un número limitado de pasos del proceso y con una única necesidad simple y limitada de equipos y herramientas especiales.

Así, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un método de preparación de una pala de aerogenerador con una protección del borde de ataque. La pala de aerogenerador se extiende una longitud entre el extremo de raíz y el extremo de punta de la pala, y una anchura entre el borde de salida y el borde de ataque, y la pala de aerogenerador comprende una parte de superficie externa que comprende al menos una parte del borde de ataque. El método según el primer aspecto de la invención comprende:

- aplicar una primera capa de pintura sobre la parte de la superficie de la pala,

- aplicar una capa de un material fibroso en la parte superior de la primera capa de pintura,

- aplicar una segunda capa de pintura sobre la capa de material fibroso,

y permitir que se cure la protección aplicada del borde de ataque.

Por este medio se obtiene una protección mejorada del borde de ataque de la pala de aerogenerador que generalmente es la parte de la pala expuesta a la carga más alta impactando partículas o proyectiles tales como lluvia, granizo o polvo. A través de la aplicación de una capa de material fibroso por encima de la primera capa de pintura y con una segunda capa de pintura se obtiene una protección del borde de ataque de un espesor considerablemente mayor que el que se puede obtener de otro modo mediante la aplicación de un recubrimiento o pintura sola, donde solamente se puede obtener un espesor limitado antes de que la pintura comience a correrse o gotear. Esto es ventajoso en el sentido de que la capa más espesa de pintura proporciona una resistencia a la erosión mejorada correspondientemente y una protección contra el desgaste y las partículas que impactan. En este caso, se ve que la capa de material fibroso actúa como un agente de unión, lo que permite que exista una capa más espesa de pintura húmeda de manera estable sin correrse ni gotear. De esta forma, la capa de material fibroso ayuda en la acumulación de un recubrimiento de protección del borde de ataque espeso que, cuando se fabrica, se puede ver como un recubrimiento de una sola capa.

Debido a este efecto de unión de la capa fibrosa, la protección del borde de ataque obtenida por este medio se ve además que es más fuerte y que produce una resistencia a la erosión considerablemente mayor que una capa de protección del mismo espesor total pero construida mediante la aplicación de un número de capas de pintura solas y sin ningún agente de unión fibroso. Además, el método según la invención es ventajoso en ser mucho menos lento y laborioso en el sentido de que las capas de material se pueden aplicar de una manera semicontinua, sin tiempo necesario para que cada capa de pintura se cure por separado.

Se cree que el aumento del rendimiento de erosión observado experimentalmente es causado por el espesor más homogéneo que se puede aplicar y el número reducido de interfaces de capa, lo que conduce a una ausencia de puntos débiles desde los que puede crecer el daño por erosión.

Además, la capa fibrosa insertada en la capa de pintura puede ser ventajosa si el recubrimiento de protección del borde de ataque se expande sobre las grietas de la superficie que o bien están presentes en el sustrato original o se introducen por impactos externos (es decir, grandes piedras de granizo), en este caso el material fibroso podría dar al recubrimiento capacidades para detener las grietas que son superiores a las de un recubrimiento “simple”.

Además, las fibras en la capa fibrosa aumentan la resistencia al impacto de la parte protegida de la pala del aerogenerador produciendo una mejora de la capacidad para absorber un impacto y la energía del impacto sin romperse. La protección del borde de ataque reduce por este medio el riesgo de daño de la pala por impactos de lluvia, granizo, partículas de suciedad y similares.

Además de la ventaja mencionada de ser una forma de obtener el mayor espesor de pintura deseado sin los problemas inherentes de otro modo de pintura corrida, el método propuesto según la invención es ventajoso en el sentido que se puede realizar mediante simples operaciones manuales y requiere solamente herramientas básicas. Esto permite que el método se realice opcionalmente sobre una pala de aerogenerador existente mientras que está montada, por ejemplo, desde una plataforma o usando un acceso con cuerdas. Además, el método se puede realizar al aire libre, por ejemplo, sin necesidad de equipos especiales de generación de vacío, plantillas de colocación, máquinas de laminación o similares.

El método de protección es ventajoso además en el sentido que la capa fibrosa puede estar compuesta de un material que sea fácil de cubrir y de colocar incluso sobre superficies de doble curvatura. Por este medio, la protección del borde de ataque se puede aplicar solamente con modificaciones mínimas a la forma externa general del perfil de la pala de aerogenerador y sin afectar de manera apreciable a las propiedades aerodinámicas de la pala.

Además, la protección del borde de ataque se puede establecer relativamente rápido, lo que es especialmente ventajoso cuando se aplica como operación de reparación o de mantenimiento en el sitio y especialmente para palas en turbinas en alta mar donde las condiciones de trabajo pueden ser aceptables solamente durante cortos períodos de tiempo.

Una o más de las capas de pintura pueden ser un recubrimiento, una laca o cualquier tipo de cubierta aplicada a la superficie de la pala de aerogenerador.

La parte de la superficie externa se extiende típicamente a través del borde de ataque tal como para comprender una parte tanto de la superficie del lado de succión como de la superficie del lado de presión de la pala. La parte de la superficie externa se puede extender una distancia similar a ambos lados del borde de ataque, o se puede extender una distancia mayor en el lado de presión que en el lado de succión, o viceversa. La parte de la superficie externa puede tener una anchura en sección transversal igual o similar a lo largo de la longitud de la pala o puede tener una anchura variable tal como, por ejemplo, para cubrir una parte más grande del perfil de la pala de aerogenerador más cerca del extremo de la punta de la pala. Por este medio, la protección del borde de ataque cubre una parte más grande del perfil de la pala hacia el extremo de la punta, donde las velocidades de las partículas y proyectiles que impactan son mayores.

Debido a que la punta de la pala y la parte más externa de la pala de aerogenerador están expuestas a partículas de velocidades más altas y, por ello, tienen un mayor riesgo de daño por erosión, la protección del borde de ataque se aplica preferiblemente para proteger la parte más externa del borde de ataque de la pala junto a, o que incluye, la punta de la pala, tal como, por ejemplo, el 5-40 % más externo de la longitud del borde de ataque, tal como el 10-20 % más externo.

La segunda capa de pintura se aplica para impregnar, al menos parcialmente, la capa de material fibroso.

Según la invención, la capa de material fibroso está impregnada parcial o totalmente por la pintura de la segunda capa. La impregnación parcial o total se puede realizar mediante la aplicación de la segunda capa de pintura, por ejemplo, mediante rodillo, brocha o pulverizador. Mediante la impregnación parcial o total de la capa fibrosa, las dos capas de pintura forman eficazmente una única capa de protección del borde de ataque con un material fibroso insertado dentro de la misma. La resistencia de esta capa puede ser mayor que la de una pila de capas del mismo espesor debido a la eliminación de interfaces entre capas en combinación con el material fibroso que actúa como agente de unión.

Según una realización de la invención, la capa de material fibroso comprende un material fibroso seco. Por capa seca se ha de entender una capa no impregnada o esencialmente no impregnada, posiblemente con un agente de unión o apresto aplicado. Por este medio, la pintura de las capas vecinas puede impregnar mejor la capa fibrosa y la capa fibrosa, a su vez, actuará mejor para unir las capas de pintura.

En una realización, la capa de material fibroso comprende un tejido o una estera de fibras aleatorias. Esto es ventajoso en la producción de una capa de algo de integridad estructural que se puede aplicar o colocar fácilmente, por ejemplo, mediante simples operaciones manuales y sin la necesidad de herramientas o maquinaria especiales. Además, los tejidos o las esteras de fibras aleatorias se pueden configurar para mostrar buenas propiedades de amoldamiento y se pueden cortar de manera bastante sencilla en tamaños apropiados según la necesidad específica. Además, los tejidos o esteras aleatorias en general son adecuados y muy apropiados para la impregnación mediante la aplicación de pintura.

En una realización adicional más, el material fibroso comprende fibras de al menos un material que pertenece al grupo de fibra de vidrio, fibra de carbono, poliéster, aramida y nailon. Todos estos materiales tienen diferentes propiedades de resistencia, rigidez y superficie, permitiendo al diseñador ajustar a mano las características de protección del borde de ataque dependiendo del recubrimiento y/o los materiales del sustrato, así como los criterios de fallo dominantes.

En una realización, la primera y segunda capas de pintura son del mismo material. Por este medio, se asegura una compatibilidad completa entre la primera y segunda capa de pintura sin el riesgo de experimentar ningún problema de debilidades entre capas. De esta forma, la protección del borde de ataque resultante se puede percibir como u observar que parece como una única capa de pintura de un espesor considerable y reforzada por un material fibroso, obteniendo por ello una capa más espesa que la que se puede obtener tradicionalmente de otro modo combinada con el efecto de refuerzo del material fibroso.

En una realización, la pintura es un recubrimiento que comprende un recubrimiento de poliuretano de dos componentes, tal como el Recubrimiento de Protección de Pala Eólica W4600 y W4601 de 3M, o el ReNEW W-Series, el HC05XP1 de Hontek, cuyos materiales se ha informado que tienen propiedades de resistencia a la erosión superior. Además o alternativamente, la pintura es un recubrimiento que comprende un recubrimiento de poliuretano de tres componentes, una resina epoxi o una resina de poliéster u otra pintura que se podría usar o no con partículas adicionales incluidas, tales como granos, fibras cortas o nanopartículas.

En una realización, el método comprende además aplicar alternativamente una capa adicional de material fibroso y una capa adicional de pintura acumulando por ello una pluralidad de capas de material fibroso con capas de pintura entre medias. Por este medio, se obtiene una protección del borde de ataque de un espesor incluso mayor y, por ello, con propiedades de resistencia a la erosión y resistencia al impacto aún más mejoradas. Usando este método se puede construir una protección del borde de ataque que tenga un espesor mínimo predeterminado deseado. Además, el método simplemente repite la aplicación de capas en un número de pasos sucesivos y, por ello, es relativamente sencillo de realizar incluso en condiciones de trabajo difíciles. Las realizaciones comprenden aplicar 2, 3, 4 o cualquier número hasta 6, 7 u 8 capas de material fibroso. Las capas de material fibroso pueden ser del mismo material, parcialmente del mismo o de diferentes materiales.

En una realización, las capas de pintura se aplican mediante rodillo, brocha o pulverizador. Por este medio, las capas de pintura se pueden aplicar mediante simples operaciones manuales, proporcionando sin embargo una impregnación eficaz de la capa fibrosa.

En una realización, el método comprende además aplicar una capa de pelado como la capa más externa antes del curado, pelar la capa de pelado después del curado y aplicar una capa de pintura como la capa más externa. La capa de pelado se puede aplicar para cubrir un borde o la extensión completa de la capa de material fibroso aplicada más externa y se presiona en la pintura sin curar. Por este medio, se obtiene una transición gradual entre la parte de la superficie que comprende la protección del borde de ataque y las regiones de la superficie vecinas de la pala, minimizando el impacto aerodinámico de la aplicación de la protección del borde de ataque.

Los pasos del método que se han descrito anteriormente pueden formar parte de la fabricación de la pala de aerogenerador o se pueden realizar alternativamente o además como un procesamiento posterior durante la reparación o el mantenimiento de la pala de aerogenerador. En otras palabras, la protección del borde de ataque se puede aplicar a una pala de aerogenerador cuando se fabrica por primera vez y también es muy adecuada para ser aplicada en un momento posterior a palas de aerogenerador existentes. Una ventaja especial es que el método de preparación se puede realizar en palas al aire libre, en el sitio o incluso en palas montadas en el aerogenerador, en la medida que el método se puede realizar mediante simples operaciones manuales y herramientas simples sin ningún requisito tal como, por ejemplo, un ambiente especial (aparte de las condiciones climáticas que coincidan con la ventana de funcionamiento de la pintura usada) o equipos o maquinaria de fabricación especiales.

En un ejemplo no reivindicado, se puede proporcionar una pala de aerogenerador que se extienda una longitud entre el extremo de raíz y el extremo de punta de la pala, y que se extienda una anchura entre el borde de salida y el borde de ataque, la pala de aerogenerador que comprende una parte de superficie externa que comprende al menos una parte del borde de ataque, en donde el aerogenerador comprende además una protección del borde de ataque preparada como se ha descrito anteriormente. Las ventajas de la pala de aerogenerador son como se ha descrito en relación con el método de preparación anterior.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describirán diferentes realizaciones de la invención con referencia a los dibujos, en donde:

la Fig. 1 muestra un aerogenerador,

la Fig. 2 muestra una pala de aerogenerador que comprende una protección del borde de ataque,

la Fig. 3 ilustra una parte de una pala de aerogenerador como se ve en una vista en sección transversal y que comprende una protección del borde de ataque, y

las Figs. 4A-C ilustran el método de preparación de una pala con una protección del borde de ataque según las realizaciones de la invención.

Descripción detallada de los dibujos

La figura 1 muestra un aerogenerador 100 que comprende una torre 101, una góndola 102 en la parte superior de la torre, la góndola que aloja los componentes de la máquina, tales como caja de engranajes, el generador, etc. (no mostrados). En un extremo de la góndola, una sección de buje 103 soporta una pluralidad de palas de aerogenerador 110.

La figura 2 muestra una pala de aerogenerador 110 que se extiende una longitud 201 entre el extremo de raíz 202 y el extremo de punta 203 de la pala, y que se extiende una anchura entre el borde de salida 205 y el borde de ataque 206, como se indica por la flecha 204. Una parte de superficie externa 210 de la pala de aerogenerador cubre una parte del borde de ataque 206 y está dotada con una protección del borde de ataque.

La figura 3 ilustra una parte de la pala de aerogenerador 101 como se ve en la vista en sección transversal y que corresponde al perfil 300 indicado en la figura 2. La parte de superficie externa o exterior 210 de la pala cubre y se extiende a través del borde de ataque 206 de la pala. La protección del borde de ataque comprende una primera capa de pintura 301 aplicada a la parte de superficie 210, una capa de un material fibroso 302 y una capa adicional de una pintura 303 aplicada en la parte superior de e impregnando y humedeciendo el material fibroso.

Los pasos sucesivos del método de aplicación se ilustran en las figuras 4A-C. En un primer paso ilustrado en la figura 4A, se aplica una primera capa de pintura 301 a la parte de superficie 210 y tal que cubra el borde de ataque. La pintura se puede aplicar, por ejemplo, mediante brocha, rodillo o pulverizador 401. Luego (figura 4B) se aplica la capa de material fibroso 302 en la parte superior de la pintura 301. La capa fibrosa puede ser, por ejemplo, un tejido o una estera, o puede comprender fibras de, por ejemplo, fibra de vidrio, nailon, Kevlar o poliéster o combinaciones de los mismos. Si se desea, la capa fibrosa 302 se puede aplicar como múltiples parches, por ejemplo, de tamaños más fáciles de manipular o para amoldarse mejor sobre la superficie externa curvada de la pala. La capa fibrosa se puede presionar ligeramente en la pintura.

Luego, en un paso siguiente (figura 4C) se aplica una segunda capa de pintura 303 impregnando la capa fibrosa 302. De nuevo, la pintura se puede aplicar, por ejemplo, mediante brocha, rodillo o pulverizador 401 según sea conveniente. A partir de ahora, la protección del borde de ataque se puede dejar que se cure.

Se puede realizar una protección del borde de ataque con un espesor incluso mayor mediante la aplicación de más capas de material fibroso con capas de pintura entre medias, es decir, repitiendo los pasos de las figuras 4B y 4C un número de veces tal como para aplicar, por ejemplo, 2, 3, 4, 5 o 6 capas de material fibroso. El material fibroso en las diferentes capas puede ser el mismo, parcialmente el mismo o ser todos diferentes.

Aunque se han descrito las realizaciones preferidas de la invención, se debería entender que la invención no está tan limitada y se pueden hacer modificaciones sin apartarse de la invención, el alcance de la cual se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de preparación de una pala de aerogenerador (110) con una protección del borde de ataque, la pala de aerogenerador que se extiende una longitud entre un extremo de raíz (202) y un extremo de punta (203) de la pala, y que se extiende una anchura entre un borde de salida (205) y un borde de ataque (206), la pala de aerogenerador que comprende una parte de superficie externa (210) que comprende al menos una parte del borde de ataque, el método que comprende:

- aplicar una primera capa de pintura (301) sobre la parte de la superficie de la pala,

- aplicar una capa de material fibroso (302) en la parte superior de la primera capa de pintura,

- aplicar una segunda capa de pintura (303) sobre la capa de material fibroso,

y permitir que se cure la protección del borde de ataque aplicada;

en donde la segunda capa de pintura (303) se aplica para impregnar, al menos parcialmente, la capa de material fibroso (302).

2. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según la reivindicación 1, en donde la capa de material fibroso (302) comprende un material fibroso seco.

3. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de material fibroso (302) comprende un tejido o una estera de fibras aleatorias.

4. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el material fibroso (302) comprende fibras de al menos un material que pertenece al grupo de fibra de vidrio, poliéster, Kevlar y nailon.

5. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera y segunda capas de pintura (301, 303) son del mismo material.

6. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pintura (301, 303) es un recubrimiento que comprende un recubrimiento de poliuretano de dos componentes, un recubrimiento de poliuretano de tres componentes, una resina epoxi o una resina de poliéster.

7. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el método que comprende además aplicar alternativamente una capa adicional de material fibroso y una capa adicional de pintura colocando por ello una pluralidad de capas de material fibroso con capas de pintura entre medias.

8. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las capas de pintura (301, 303) se aplican mediante rodillo, brocha o pulverizador.

9. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el método que comprende además aplicar una capa de pelado como la capa más externa antes de curar, pelar la capa de pelado después del curado y aplicar una capa de pintura como la capa más externa.

10. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según la reivindicación 9, en donde la capa de pelado se aplica para cubrir un borde de la capa aplicada más externa de material fibroso y se presiona en la pintura sin curar.

11. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde los pasos del método forman parte de la fabricación de la pala de aerogenerador (110).

12. Un método de preparación de una pala de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los pasos del método se realizan como procesamiento posterior durante la reparación o el mantenimiento de la pala de aerogenerador (110).