ES2904818T3 - Método de fabricación de una pala de turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Método de fabricación de una porción de pala de turbina eólica (10), especialmente una mitad de concha de pala, dicha porción de pala de turbina eólica comprende un miembro de concha de pala aerodinámica (42) y una tapa de larguero o laminado principal (44) integrado que se extiende longitudinalmente en una zona longitudinal predeterminada (50) del miembro de la concha (42), dicha zona tiene una longitud y una anchura definidas por un primer y un segundo lado lateral (46, 48), el método comprende la etapa de: a. proporcionar un miembro de concha aerodinámica preformado, al menos sustancialmente curado (42), de una resina primaria reforzada por un material de fibra primaria y que tiene una superficie exterior y una superficie interior (54, 52) b. disponer un medio de flujo de resina inferior (64) en la superficie interior (52) del miembro de concha (42) en una porción longitudinal del mismo que corresponde al menos al área longitudinal predeterminada (50) y que se extiende más allá del primer y segundo lado lateral (46, 48) del área predeterminada c. colocar capas de un material de fibra secundario (66) que comprenda fibra de carbono para la tapa de larguero o el laminado principal (44) sobre el medio de flujo de resina inferior (64) en una porción longitudinal del mismo correspondiente a la zona predeterminada (50) d. disponer un medio de flujo de resina superior (70) sobre el material de fibras secundarias colocado (66) de manera que se extienda lateralmente más allá del primer lado lateral (46) de la zona predeterminada (50) y se superponga al medio de flujo inferior (64) en una zona de superposición longitudinal (72) en el primer lado lateral (46) e. disponer un primer canal longitudinal de entrada de resina (80) en el medio de flujo de resina superior y/o inferior (70, 64) lateralmente hacia fuera del primer lado lateral (46), y preferentemente en el medio de flujo superior (70) en la zona de solapamiento longitudinal (72) en el primer lado lateral (46) de la zona predeterminada (50) f. disponer un primer canal de vacío longitudinal (86) en o sobre la superficie interior (52) del miembro de concha preformado (42) lateralmente hacia fuera del segundo lado lateral (48), y preferentemente en el medio de flujo inferior (64) hacia fuera del segundo lado lateral (48) de la zona predeterminada (50) g. disponer de manera sellada una bolsa de vacío (90) sobre al menos la capa de fibra secundaria (66), el canal de vacío (86), el canal de entrada de resina (80) y el medio de flujo de resina inferior y superior (70, 64) para definir una cavidad de molde h. aplicar una presión negativa a la cavidad del molde a través del canal de vacío (86) i. suministrar una resina secundaria al material de refuerzo de fibra en la cavidad del molde a través del canal de entrada de resina (80) j. permitir que la resina se cure para formar una tapa de larguero reforzada con fibra integrada o un laminado principal (44) en el miembro de concha de pala (42), en la que la superficie interior del miembro de concha aerodinámica preformada (42) está provista de un rebaje longitudinal (58) que corresponde, al menos esencialmente, a la zona longitudinal predeterminada (50) y de al menos porciones del material de fibra secundaria (66) dispuestas en ella en la etapa d.

Description

DESCRIPCIÓN
Método de fabricación de una pala de turbina eólica
Campo de la invención
[0001] La presente invención se refiere a un método de fabricación de una porción de pala de turbina eólica, a un método de fabricación de una pala de turbina eólica y a una turbina eólica que tiene al menos una pala de turbina eólica fabricada por dicho método.
Antecedentes de la invención
[0002] Las palas de turbinas eólicas suelen fabricarse según uno de los dos diseños constructivos, a saber, un diseño en el que una delgada concha aerodinámica se pega a una viga de larguero, o un diseño en el que las tapas de larguero (“spar caps”), también llamadas laminados principales, se integran en la concha aerodinámica.
[0003] En el primer diseño, el larguero constituye la estructura de soporte de la pala. Tanto el larguero como la concha aerodinámica o las partes de la concha se fabrican por separado. La concha aerodinámica se fabrica a menudo como dos partes de concha, normalmente como una parte de concha del lado de presión y una parte de concha del lado de succión. Las dos partes de la concha se pegan o se conectan de otro modo al larguero y se pegan además entre sí a lo largo de un borde de ataque y un borde de salida de las partes de la concha. Este diseño tiene la ventaja de que la estructura de soporte de carga crítica puede fabricarse por separado y, por tanto, es más fácil de controlar. Además, este diseño permite diversos métodos de fabricación para producir la viga, como el moldeo y el bobinado de filamentos.
[0004] En el segundo diseño, las tapas de larguero o los laminados principales están integrados en la concha y se moldean junto con la concha aerodinámica. Los laminados principales suelen incluir un número elevado de capas de fibra en comparación con el resto de la pala y pueden formar un engrosamiento local de la concha de la turbina eólica, al menos en lo que respecta al número de capas de fibra. Así, el laminado principal puede formar una inserción de fibra en la pala. En este diseño, los laminados principales constituyen la estructura de soporte de carga. Las conchas de las palas suelen estar diseñadas con un primer laminado principal integrado en la parte de la concha del lado de presión y un segundo laminado principal integrado en la parte de la concha del lado de succión. El primer laminado principal y el segundo laminado principal suelen estar conectados a través de una o más almas a cortante (“shear webs”), que por ejemplo pueden tener forma de C o de I. En el caso de palas muy largas, las conchas de pala comprenden además, a lo largo de al menos una parte de la extensión longitudinal, un primer laminado principal adicional en la concha del lado de presión, y un segundo laminado principal adicional en la concha del lado de succión. Estos laminados principales adicionales también pueden estar conectados a través de una o más almas a cortante. Este diseño tiene la ventaja de que es más fácil controlar la forma aerodinámica de la pala mediante el moldeado de la parte de la concha de pala.
[0005] La infusión en vacío o VARTM (moldeo por transferencia de resina asistido por vacío) es un método que se emplea normalmente para la fabricación de estructuras de material compuesto, como las palas de turbinas eólicas que comprenden un material de matriz reforzado con fibras.
[0006] Durante el proceso de llenado del molde, se genera vacío, que en este sentido debe entenderse como una presión inferior o presión negativa, a través de las salidas de vacío en la cavidad de molde, por lo que el polímero líquido es arrastrado hacia la cavidad del molde a través de los canales de entrada para llenar dicha cavidad. Desde los canales de entrada, el polímero se dispersa en todas las direcciones de la cavidad de molde debido a la presión negativa a medida que un frente de flujo se desplaza hacia los canales de vacío. Por lo tanto, es importante colocar los canales de entrada y los canales de vacío de forma óptima para obtener un llenado completo de la cavidad del molde. Sin embargo, garantizar una distribución completa del polímero en toda la cavidad del molde suele ser difícil y, en consecuencia, esto suele dar lugar a los denominados puntos secos, es decir, zonas en las que el material de las fibras no está suficientemente impregnado de resina. Así, los puntos secos son zonas en las que el material de fibra no está impregnado y en las que puede haber bolsas de aire, que son difíciles o imposibles de eliminar controlando la presión de vacío y una posible sobrepresión en el lado de entrada. En las técnicas de infusión en vacío que emplean una pieza de molde rígida y una pieza de molde elástica en forma de bolsa de vacío, los puntos secos pueden repararse tras el proceso de llenado del molde perforando la bolsa en el lugar correspondiente y extrayendo el aire, por ejemplo, mediante una aguja de jeringa. Opcionalmente, se puede inyectar polímero líquido en el lugar respectivo, lo que puede hacerse también, por ejemplo, mediante una aguja de jeringa. Este es un proceso que requiere mucho tiempo y es muy pesado. En el caso de las piezas de molde de gran tamaño, el personal tiene que estar de pie sobre la bolsa de vacío. Esto no es deseable, especialmente cuando el polímero no se ha endurecido, ya que puede provocar deformaciones en el material de fibra insertado y, por tanto, un debilitamiento local de la estructura, que puede causar, por ejemplo, efectos de pandeo.
[0007] En la mayoría de los casos, el polímero o la resina aplicada es de poliéster, éster de vinilo o epoxi, y el refuerzo de fibra suele estar basado en fibras de vidrio y/o fibras de carbono o híbridos que comprenden fibras de carbono y fibras de vidrio.
[0008] A menudo, las estructuras compuestas comprenden un material de núcleo cubierto con un material reforzado con fibra, como una o más capas de polímero reforzado con fibra. El material del núcleo puede utilizarse como espaciador entre dichas capas para formar una estructura de sándwich y suele estar hecho de un material rígido y ligero para reducir el peso de la estructura compuesta. Para garantizar una distribución eficaz de la resina líquida durante el proceso de impregnación, el material del núcleo puede estar provisto de una red de distribución de resina, por ejemplo, proporcionando canales o ranuras en la superficie del material del núcleo.
[0009] El moldeo por transferencia de resina (RTM) es un método de fabricación similar al VARTM. En el RTM, la resina líquida no es arrastrada a la cavidad del molde debido a un vacío generado en la cavidad del molde. En su lugar, la resina líquida es forzada a entrar en la cavidad del molde a través de una sobrepresión en el lado de entrada.
[0010] Las palas de las turbinas eólicas se han hecho cada vez más largas con el paso del tiempo y ahora pueden tener más de 80 metros de longitud. El tiempo de impregnación en relación con la fabricación de dichas palas ha aumentado, ya que hay que impregnar más material de fibra con polímero. Además, el proceso de infusión se ha vuelto más complicado, ya que la impregnación de grandes miembros de concha, como las palas, requiere un control de los frentes de flujo para evitar puntos secos, dicho control puede incluir, por ejemplo, un control relacionado con el tiempo de los canales de entrada y los canales de vacío. Esto aumenta el tiempo necesario para aspirar o inyectar el polímero. Como resultado, el polímero tiene que permanecer líquido durante más tiempo, lo que normalmente también supone un aumento del tiempo de curado.
[0011] El documento US 2012/0009070 divulga un método de preparación de un miembro de concha de pala de turbina eólica mediante el uso de material de lámina precurado reforzado con fibra. En una realización, se describe un proceso de infusión por etapas, en el que las capas individuales se infusionan en secuencia.
[0012] El documento WO 2015/114098 A1 divulga un método de fabricación de una porción de pala de turbina eólica que comprende las etapas de:
• colocar un material de fibra primaria en un molde, infusionar dicho material con una resina primaria y curar dicha resina primaria en dicho material de fibra primaria para formar un elemento de pala curado, • colocar un material de fibra secundaria sobre una parte del elemento de pala curado, infusionar dicho material con una resina secundaria y curar dicha resina secundaria en dicho material de fibra secundaria para formar una sección reforzada integrada que sea un laminado principal o tapa de larguero en dicho elemento de pala curado.
[0013] El material de fibras de carbono y el material de fibras híbridas se utilizan cada vez más en la fabricación de palas de turbinas eólicas para obtener la rigidez, la resistencia y el peso deseados de las palas. Cuando se utilizan fibras de carbono o material de fibras híbridas que comprenden fibras de carbono en un laminado principal, la alineación absoluta de las fibras de carbono es extremadamente importante para obtener la resistencia estructural prevista del laminado principal y, por tanto, de la pala de turbina eólica. Cuando se infusionan laminados como los principales con una resina, los canales de entrada de la resina, las barreras de flujo y, con frecuencia, también las válvulas, se disponen sobre el material de fibra tendido del laminado. Los elementos mencionados crean abolladuras en el laminado justo debajo de ellos cuando se evacua la cavidad del molde. Las abolladuras provocan la desalineación de las fibras, lo que tiene un impacto negativo importante en la resistencia estática y el rendimiento a la fatiga del laminado formado.
[0014] El documento EP 2620265 A1 divulga un método para producir plásticos reforzados con fibras que utiliza un medio de difusión de resina superior y un medio de difusión de resina inferior.
[0015] Es objeto de la presente invención proporcionar un nuevo método de fabricación de palas de turbina eólica y de una parte de las palas de turbina eólica, y que supere o mejore las desventajas de los métodos de la técnica anterior con respecto a la reducción de la resistencia y las propiedades de fatiga de la pala debido a la desalineación de las fibras de carbono en un laminado de la pala o que proporcione una alternativa útil a los métodos de la técnica anterior.
Resumen de la invención
[0016] Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un método según la reivindicación 1 para fabricar una porción de pala de turbina eólica, especialmente una mitad de concha de pala, dicha porción de pala de turbina eólica que comprende un miembro de concha de pala aerodinámica y una tapa de larguero o laminado principal integrado que se extiende longitudinalmente en una zona longitudinal predeterminada del miembro de la concha, dicha zona tiene una longitud y una anchura definidas por un primer y un segundo lado lateral.
[0017] El método comprende la etapa de:
a. proporcionar un miembro de concha aerodinámica preformado, al menos sustancialmente curado, de una resina primaria reforzada por un material de fibra primaria y que tenga una superficie exterior y una superficie interior
b. disponer un medio de flujo de resina inferior en la superficie interior del miembro de concha en una porción longitudinal del mismo que corresponda al menos a la zona longitudinal predeterminada y que se extienda más allá del primer y segundo lado lateral de la zona predeterminada
c. colocar capas de un material de fibra secundario que comprenda fibra de carbono para la tapa de larguero o el laminado principal sobre el medio de flujo de resina en una porción longitudinal del mismo correspondiente a la zona predeterminada
d. disponer un medio de flujo de resina superior sobre el material de fibra secundaria tendido de forma que se extienda lateralmente más allá del primer lado lateral de la zona predeterminada y se superponga al medio de flujo inferior en una zona de superposición longitudinal en el primer lado lateral
e. disponer un primer canal longitudinal de entrada de resina en el medio de flujo de resina superior y/o inferior lateralmente hacia fuera del primer lado lateral, y preferentemente en el medio de flujo superior en la zona de solapamiento longitudinal en el primer lado lateral de la zona predeterminada
f. disponer un primer canal de vacío longitudinal en o sobre la superficie interior del miembro de la concha preformado lateralmente hacia fuera del segundo lado lateral, y preferiblemente en el medio de flujo inferior hacia fuera del segundo lado lateral de la zona predeterminada
g. disponer de manera sellada una bolsa de vacío sobre, al menos, la capa de fibra secundaria, el canal de vacío, el canal de entrada de resina y el medio de flujo de resina inferior y superior para definir una cavidad de molde
h. aplicar una presión negativa a la cavidad del molde a través del canal de vacío,
j. suministrar una resina secundaria al material de refuerzo de fibra en la cavidad de molde a través del canal de entrada de resina
k. permitir que la resina se cure para formar una tapa de larguero reforzada con fibra integrada o un laminado principal en el miembro de concha de pala,
en el que la superficie interior del miembro de concha aerodinámica preformada está provista de una hendidura longitudinal que corresponde al menos esencialmente a la zona longitudinal predeterminada y de al menos porciones del material de fibra secundario dispuestas en ella en la etapa d.
[0018] Dado que no hay elementos, como canales de entrada de resina, canales de vacío, medios de restricción o barrera, válvulas o similares, dispuestos en el material de fibra secundaria tendido que comprende fibras de carbono, el riesgo de desalineación de las fibras de carbono se elimina, al menos sustancialmente, y el laminado principal de carga o tapa de larguero tiene las propiedades deseadas y previstas.
[0019] El canal longitudinal de entrada de resina en la zona de solapamiento entre el medio de flujo de resina superior e inferior suministra resina tanto al medio de flujo superior como al inferior debido a la permeabilidad del medio de flujo superior. La infusión tiene lugar como una infusión transversal en la dirección desde el primer lado lateral, en el que está dispuesto el canal de entrada de resina longitudinal, hacia el segundo lado lateral, en el que está dispuesto el canal de vacío. La infusión del material de la fibra secundaria es fomentada por un frente de flujo de resina tanto en el medio de flujo de resina superior como en el inferior. La permeabilidad de los medios de flujo de resina superior e inferior se seleccionan de manera que sea posible controlar el vacío y el suministro de resina a la cavidad del molde, de modo que el frente de flujo que se mueve transversalmente en los medios de flujo de resina superior e inferior y el material de fibra secundaria colocado proporcione una humectación e impregnación completas del material de fibra con resina tanto del medio de flujo de resina superior como del inferior sin puntos secos y, preferentemente y de manera ventajosa, de modo que el material de fibra sólo se impregne desde abajo, es d ecir, desde el frente de flujo del medio de flujo de resina inferior adyacente al segundo lado lateral. Al impregnar el material de fibra secundario desde abajo durante la última parte de la infusión, es posible observar el frente de flujo a través de una bolsa de vacío transparente y controlar la infusión para evitar la formación de un punto seco.
[0020] El medio de flujo de resina superior puede ser una malla de un material polimérico o una estera de fibra con mallas abiertas, siendo la estera de fibra una fibra de vidrio, una fibra de carbono o una estera híbrida que comprenda fibra de carbono y de vidrio. En la actualidad, se prefiere utilizar una o varias mallas poliméricas para el medio de flujo de resina superior.
[0021] En consecuencia, el medio de flujo de resina inferior puede ser una red de un material polimérico o una estera de fibra con mallas abiertas, siendo la estera de fibra una fibra de vidrio, una fibra de carbono o una estera híbrida que comprenda fibra de carbono y de vidrio. Sin embargo, para el medio de flujo de resina inferior, se prefiere una estera de fibra o un medio de flujo de tejido, ya que la estera inferior está incrustada en el miembro de la concha de pala como una parte integrada en el mismo.
[0022] Está claro que el medio de flujo de resina es un tejido que mejora el flujo en el plano de la resina. Por lo tanto, el medio también suele denominarse capa o material que mejora el flujo. La resina se propaga más rápidamente a través del medio de flujo de resina que de las capas de material de fibra.
[0023] El material de la fibra secundaria es un material de fibra principalmente unidireccional.
[0024] Según una realización, el material de fibra secundaria comprende un híbrido de fibra de carbono y cualquier otra fibra, especialmente un híbrido de fibra de carbono y fibra de vidrio.
[0025] El material de fibra primario puede ser cualquier material de fibra o combinación de materiales de fibra. Sin embargo, en la actualidad, es preferentemente un material de fibra principalmente de fibra de vidrio o un material híbrido de fibra de carbono y de vidrio.
[0026] La resina primaria y la resina secundaria pueden ser cualquier resina, como poliéster, éster de vinilo, epoxi o una resina híbrida.
[0027] El método puede comprender la etapa de tratar la superficie interior del miembro de concha preformado antes de colocar el medio de flujo de resina inferior y el material de fibra secundario. La etapa de tratar la superficie hace que aumente la unión entre el laminado principal y el miembro de concha. La etapa de tratamiento puede comprender el esmerilado y/o la aplicación de una imprimación que mejore la unión.
[0028] Según otra realización, un segundo canal longitudinal de entrada de resina está dispuesto en la zona de solapamiento longitudinal en el primer lado lateral.
[0029] El uso de un segundo canal longitudinal de entrada de resina aumenta el suministro de resina al medio de flujo superior y, por tanto, también al material de fibra secundaria colocado. Como resultado, se puede reducir el tiempo de infusión.
[0030] En otra realización, un canal longitudinal adicional de entrada de resina está dispuesto en el medio de flujo inferior lateralmente hacia fuera de la zona de solapamiento.
[0031] El canal longitudinal adicional de entrada de resina permite un suministro adicional de resina especialmente al medio de flujo inferior, si es necesario.
[0032] El canal o los canales de entrada de resina pueden colocarse ventajosamente relativamente cerca del primer lado lateral de la zona predeterminada, como por ejemplo de 30 a 300 mm hacia fuera del primer lado lateral.
[0033] Cada canal de entrada longitudinal está abierto hacia el material de flujo de resina inferior y puede ser un tubo o manguera con una sección transversal en forma de omega.
[0034] Según una realización, un canal de vacío longitudinal adicional está dispuesto en la superficie interior del miembro de concha preformado lateralmente hacia fuera del primer canal de vacío y lateralmente hacia fuera del medio de flujo inferior.
[0035] Mediante el canal de vacío longitudinal adicional dispuesto en la superficie interior del miembro de concha preformado, es posible mantener el vacío en la cavidad del molde después de que el primer canal de vacío longitudinal dispuesto en el medio de flujo inferior se haya cerrado o apagado para evitar que la resina fluya hacia el primer canal de vacío.
[0036] Cada canal de vacío longitudinal está abierto hacia la cavidad del molde y puede ser un tubo, el llamado tubo en espiral, o una manguera con una pared exterior en forma de espiral.
[0037] En otra realización de la presente invención, el medio de flujo superior está dispuesto de forma que cubra todo el material de fibra secundaria colocado, excepto una zona longitudinal no cubierta del material de fibra secundaria colocado adyacente al segundo lado lateral y hacia el interior del mismo.
[0038] De este modo, la velocidad del frente de flujo en el medio de flujo superior se desacelera en la última parte de la infusión. La velocidad del frente de flujo en el medio de flujo inferior se mantiene. Como resultado, el frente de flujo del medio de flujo inferior sobrepasa el frente de flujo en el medio de flujo superior y la última parte del material de la fibra secundaria se impregna desde abajo.
[0039] La zona no cubierta en el segundo lado lateral puede tener una anchura de entre el 3 y el 30% de la anchura de la zona longitudinal entre el primer y el segundo lado lateral.
[0040] Según una realización, el medio de flujo superior comprende una primera capa de medio de flujo inferior y una segunda capa de medio de flujo superior suprayacente.
[0041] Utilizando dos o más medios de flujo o capas de medio de flujo superpuestos, como las mallas poliméricas, la tasa de flujo de resina a través del medio de flujo resultante puede adaptarse a la necesidad específica.
[0042] Una de las capas del medio de flujo, especialmente la capa inferior del medio de flujo, puede extenderse más hacia el segundo lado lateral que la otra de dichas capas de tejido del medio de flujo. Como resultado, la tasa de flujo a través del medio de flujo se desacelera en el punto donde termina una de las capas del medio de flujo y continúa a una tasa menor.
[0043] Los mencionados medios de flujo superior y capas de medio de flujo superior son preferentemente mallas de polímero que permiten una tasa de flujo de la resina considerablemente mayor que la de las capas de fibra.
[0044] En otra realización, el miembro de concha de pala aerodinámica preformado se forma mediante moldeo por transferencia de resina (RTM), especialmente el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM).
[0045] Sin embargo, el miembro de concha preformado también puede fabricarse mediante el moldeo de preimpregnados, es decir, utilizando fibras preimpregnadas con una resina precatalizada que sea sólida o casi sólida a temperatura ambiente. El material de fibra preimpregnado se calienta, con lo que la resina se vuelve líquida y acaba curándose.
[0046] Según la invención, la superficie interior del miembro de la concha aerodinámica preformada está provista de una hendidura longitudinal que corresponde al menos esencialmente a la zona longitudinal predeterminada y de al menos porciones del material de fibra secundaria dispuestas en ella en la etapa d.
[0047] El rebaje puede estar provisto de paredes laterales opuestas ligeramente inclinadas hacia arriba y hacia fuera, siendo el ángulo de inclinación preferentemente inferior a 45°, especialmente entre 10° y 30°.
[0048] De este modo, se obtiene una transición gradual entre las paredes opuestas del miembro de concha preformado y el laminado principal integrado o tapa de larguero, y se reduce el riesgo de concentraciones de tensión.
[0049] La disposición del material de fibra secundario puede extenderse lateralmente más allá de la hendidura y fusionarse gradualmente con la superficie interior del miembro de la concha para obtener una transición suave entre el miembro de la concha preformado y el laminado principal o tapa de larguero formado e integrado.
[0050] Puede disponerse una capa pelable (“peel ply”) entre el medio de flujo de resina superior y la capa de material de fibra secundaria.
[0051] Sin embargo, alternativamente, se puede disponer una capa pelable sobre el medio de flujo de resina superior y el canal de entrada de resina longitudinal sobre la capa pelable.
[0052] Por último, es posible no utilizar ninguna capa pelable.
[0053] Además, la presente invención proporciona un método según la reivindicación 13 de fabricación de una pala de turbina eólica. La presente invención también proporciona una porción de pala de turbina eólica según la reivindicación 12.
[0054] Por último, la presente invención proporciona una turbina eólica según la reivindicación 14.
[0055] Es evidente que la invención es especialmente adecuada para estructuras de gran tamaño. En consecuencia, la invención se refiere preferentemente a palas de turbinas eólicas, así como a porciones de pala de turbinas eólicas que tengan una longitud total de al menos 30 metros, 40 metros, 45 metros, 50 metros, 55 metros o 60 metros.
Breve descripción de las figuras
[0056] La invención se explica en detalle a continuación con referencia a una realización mostrada en los dibujos, en la que
La fig. 1 muestra una turbina eólica,
La fig. 2 muestra una vista esquemática de una pala de turbina eólica fabricada por un método según la invención,
La fig. 3 muestra una vista en sección de un miembro de concha aerodinámica preformado y curado de una resina primaria reforzada por un material de fibra primaria,
La fig. 4 muestra una sección transversal de una porción de pala de turbina eólica en forma de media concha de pala fabricada por el método según la invención y que comprende el miembro de concha de pala preformado y curado de la fig. 3 y una sección reforzada integrada en forma de laminado principal que comprende una capa de material de fibra secundaria impregnada por una resina secundaria mediante moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) como se describe a continuación,
La fig. 5 muestra una vista esquemática de la porción de concha de pala/mitad de concha de pala de la fig. 4 que comprende el miembro de concha de pala preformado y curado y el laminado principal integrado,
La fig. 6 muestra de forma esquemática una vista en sección ampliada correspondiente a la parte central de la fig. 4 y que ilustra algunos de las etapas del método según la invención, y
La fig. 7 muestra, en vista transversal, las etapas de llenado de la cavidad del molde, es decir, el movimiento transversal del frente de flujo de resina, durante el último 40% de la infusión del material de fibra secundaria que forma el laminado principal.
Descripción detallada de la invención
[0057] La fig. 1 ilustra una turbina eólica moderna convencional a barlovento según el llamado "concepto danés" con una torre 4, una góndola 6 y un rotor con un eje de rotor sustancialmente horizontal. El rotor incluye un buje 8 y tres palas 10 que se extienden radialmente desde el buje 8, cada una con una raíz de pala 16 más cercana al buje y una punta de pala 14 más alejada del buje 8. El rotor tiene un radio denotado R.
[0058] La fig. 2 es una vista esquemática de una realización de una pala de turbina eólica 10 fabricada por el método según la invención. La pala de turbina eólica 10 tiene la forma de una pala de turbina eólica convencional y comprende una región de raíz 30 más cercana al buje, una región de perfil alar 34 más alejada del buje y una región de transición 32 entre la región de raíz 30 y la región de perfil alar 34. La pala 10 comprende un borde de ataque 18 orientado en la dirección de rotación de la pala 10, cuando esta está montada en el buje, y un borde de salida 20 orientado en la dirección opuesta al borde de ataque 18.
[0059] La región de perfil alar 34, también llamada región perfilada, tiene una forma de pala ideal o casi ideal para generar sustentación, mientras que la región de raíz 30, debido a consideraciones estructurales, tiene una sección transversal sustancialmente circular o elíptica, lo que, por ejemplo, facilita y hace más seguro el montaje de la pala 10 en el buje. El diámetro (o la cuerda) de la región de la raíz 30 puede ser constante a lo largo de toda la zona de la raíz 30. La región de transición 32 tiene un perfil de transición que cambia gradualmente de la forma circular o elíptica de la región de raíz 30 al perfil alar de la región de perfil alar 34. La longitud de la cuerda de la región de transición 32 suele aumentar con el incremento de la distancia r desde el buje. La región de perfil alar 34 tiene un perfil aerodinámico con una cuerda que se extiende entre el borde de ataque 18 y el borde de salida 20 de la pala 10. La anchura de la cuerda disminuye al aumentar la distancia r desde el buje.
[0060] Un hombro 40 de la pala 10 se define como la posición en la que la pala 10 tiene su mayor longitud de cuerda. El hombro 40 suele estar situado en el límite entre la región de transición 32 y la región de perfil alar 34.
[0061] Hay que tener en cuenta que las cuerdas de las diferentes secciones de la pala no suelen estar en un plano común, ya que la pala puede estar torsionada y/o curvada (es decir, precurvada), lo que proporciona al plano de las cuerdas un curso correspondientemente torsionado y/o curvado, siendo esto lo más frecuente para compensar que la velocidad local de la pala depende del radio desde el buje.
[0062] La pala está hecha típicamente de una mitad de concha de pala del lado de presión 36 y una mitad de concha de pala del lado de succión 38 que están pegadas entre sí a lo largo de líneas de unión en el borde de ataque 18 y en el borde de salida de la pala 20.
[0063] A continuación, la invención se explica con respecto a la fabricación de la mitad de la concha de la pala del lado de succión 38 mostrada en la fig. 5 y con referencia a las figs. 3-7. La fabricación de la mitad de concha de pala del lado de presión 36 corresponde esencialmente con la de mitad de concha de pala del lado de succión 38.
[0064] La mitad de concha de pala mostrada en la fig. 5 comprende un miembro aerodinámico de concha de pala 42 y una sección reforzada integrada que se extiende longitudinalmente en forma de un laminado principal 44 provisto en un área longitudinal predeterminada 50 del miembro de concha 42.
[0065] La zona predeterminada tiene una longitud L y una anchura W definidas por un primer lado lateral 46 y un segundo lado lateral 48.
[0066] Según la invención, el miembro de concha 42 es un miembro de concha preformado, al menos sustancialmente curado, de una resina primaria reforzada por un material de fibra primaria y tiene una superficie interior 52 y una superficie exterior 54, véase la fig. 3, que muestra una vista en sección transversal del miembro de concha 42 dispuesto en una parte inferior del molde o soporte 96. Entre dos porciones del miembro de concha que comprenden los elementos del núcleo del sándwich 56, el miembro de concha 42 está provisto de un rebaje o depresión 58 que se extiende longitudinalmente en la superficie interior 52. El rebaje 58 tiene paredes laterales opuestas ligeramente inclinadas hacia arriba y hacia fuera 60,62.
[0067] El miembro de concha 42 puede fabricarse mediante moldeo por transferencia de resina asistido por vacío utilizando como material primario fibras de vidrio y como resina primaria poliéster, éster de vinilo o epoxi. Como alternativa, el miembro de la concha preformado puede fabricarse con epoxi reforzado con fibras de vidrio mediante moldeo preimpregnado.
[0068] Después de haber proporcionado el citado miembro de concha 42, se dispone un tendido de capas de material de fibra secundario en la hendidura 58 del miembro de concha 42 y en las partes adyacentes de la superficie interior adyacente, es decir, se tiende en la zona predeterminada 50 definida por los lados laterales 46 y 48. Posteriormente, el material de fibras secundarias dispuesto se infusiona con una resina secundaria mediante VARTM para formar el laminado principal longitudinal integrado 44, como se muestra en la fig. 4 y como se describirá a continuación.
[0069] Las capas de segundo material de fibra colocadas comprenden principalmente capas de material de fibra unidireccional de fibra de carbono principalmente o un híbrido de fibra de carbono y fibra de vidrio. La resina secundaria es preferentemente poliéster o éster de vinilo o, alternativamente, epoxi o una resina híbrida.
[0070] Antes de disponer el material de fibra en la zona predeterminada 50 del miembro de concha 42, la zona puede ser tratada mecánicamente, como por ejemplo mediante esmerilado, y/o químicamente mediante la aplicación de una imprimación para mejorar la unión entre la resina secundaria y la resina primaria curada.
[0071] En la siguiente etapa del método de fabricación, se dispone un medio de flujo de resina inferior 64, preferentemente en forma de un tejido de flujo de resina que proporciona una tasa de flujo de resina considerablemente mayor que el material de fibra secundario, en la superficie interior 52 del miembro de concha preformado 42 en una porción longitudinal del mismo que corresponde al menos al área longitudinal predeterminada 50. Además, el medio de flujo de resina inferior 64 está dimensionado y dispuesto de manera que se extienda lateralmente más allá del primer lado lateral 46 y del segundo lado lateral 48 de la zona predeterminada 50, véase la fig. 6.
[0072] A continuación, las capas de material de fibra secundaria 66 se colocan sobre la superficie interior 52 del miembro de concha preformado 42. Tanto en la figura 4 como en la 6 se puede observar que la colocación del material de fibra secundario está dispuesta de manera que se extienda lateralmente más allá de la hendidura y se una gradualmente con la superficie interior 52 del miembro de la concha preformado 42, a fin de obtener una transición suave entre el miembro de concha preformado y el laminado principal que se formará mediante dicha colocación.
[0073] A continuación, se dispone opcionalmente una capa pelable perforada 68 al menos en el material de fibra secundario colocado y en las zonas de la superficie interior del miembro de concha preformado adyacentes al mismo.
[0074] Ahora, un medio de flujo de resina superior 70 se dispone sobre el material de fibra secundaria tendido 66 de manera que se extienda lateralmente más allá del primer lado lateral 46 de la zona predeterminada y se superponga al medio de flujo inferior 64 en una zona de superposición longitudinal 72. En la presente realización, el medio de flujo superior comprende una malla polimérica inferior 74 y una malla polimérica superior superpuesta 76. Ambas mallas tienen una alta permeabilidad para proporcionar una alta tasa de flujo de resina y suministrar resina al medio de flujo inferior 64 en la zona de solapamiento longitudinal 72.
[0075] El medio de flujo superior 70 está dispuesto de forma que cubra todo el material de fibra secundaria colocado 66, excepto una zona longitudinal no cubierta 78 del material de fibra secundaria colocado adyacente al segundo lado lateral 48 y hacia el interior del mismo.
[0076] En la realización mostrada, un primer canal longitudinal de entrada de resina 80 y un segundo canal longitudinal 82 están dispuestos en la malla superior del medio de flujo superior 70 en la zona de solapamiento 72 en el primer lado lateral 46.
[0077] Si se desea, puede disponerse un canal longitudinal adicional de entrada de resina 84 en el medio de flujo inferior lateralmente hacia fuera de la zona de solapamiento 72, como se indica en la fig.6. Cada canal longitudinal de entrada de resina está abierto hacia el material de flujo de resina subyacente y puede ser un tubo o manguera con sección transversal en forma de omega.
[0078] Además, un primer canal de vacío longitudinal 86 está dispuesto en el medio de flujo inferior 64 lateralmente hacia fuera del segundo 2 lado lateral 48, y un canal de vacío longitudinal adicional 88 está dispuesto en la superficie interior 52 del miembro de concha preformado 42 lateralmente hacia fuera del primer canal de vacío 86 y lateralmente hacia fuera del medio de flujo inferior 64. Cualquier canal de vacío está abierto hacia la cavidad del molde para ser definido por una bolsa de vacío y puede ser un tubo perforado o un llamado tubo en espiral que tiene una pared exterior en forma de espiral.
[0079] Por último, se dispone una bolsa de vacío 90 sobre, al menos, el material de fibra secundaria colocado, los canales de vacío, los canales de entrada de resina, el medio de flujo de resina superior y el medio de flujo de resina inferior y la capa pelable opcional, y se sella al miembro de concha preformado 42 para formar una cavidad de molde.
[0080] La infusión de la resina puede tener lugar entonces suministrando vacío a la cavidad del molde a través de los canales de vacío y suministrando resina a la cavidad del molde a través de los canales de entrada de resina.
[0081] El vacío creado por los canales de vacío longitudinales 86, 88 dispuestos lateralmente hacia el exterior del segundo lado lateral 48 de la zona longitudinal 50 arrastrará la resina suministrada a los canales de entrada de resina 80, 82 dispuestos en la zona de solapamiento longitudinal 72 en dirección transversal desde los canales de entrada de resina hacia los canales de vacío.
[0082] Se forma un frente de flujo de resina tanto en el medio de flujo superior como en el medio de flujo inferior y, además, en el material de fibras secundarias intermedias, estando el material de fibras secundarias impregnado de resina suministrada con la resina del medio de flujo superior e inferior.
[0083] Se hace referencia ahora a la fig. 7, que ilustra el movimiento del frente de flujo de la resina mostrando una vista en sección transversal de la cavidad del molde cuando está llena de resina al 60, 80, 90, 99,5 y 100 %. Durante la mayor parte de la infusión, el frente de flujo se mueve más rápido y se sitúa por delante del frente de flujo en el medio de flujo inferior. Sin embargo, cuando la resina en la malla inferior y superior 74,76 del medio de flujo superior alcanza el extremo 94 de la malla superior 76 y el extremo 92 de la malla inferior 74, el movimiento del frente de flujo se detiene en el medio de flujo superior. Esto tiene lugar cuando se ha llenado aproximadamente el 80-90% de la cavidad del molde. Como resultado, el frente de flujo en la parte superior del material de fibra en la zona descubierta longitudinal 78 se ralentiza y el frente de flujo en el medio de flujo inferior y el material de fibra adyacente se mueve gradualmente más rápido que el frente de flujo en el material de fibra superior en la zona descubierta, alcanza y finalmente sobrepasa a este último, como se ilustra en la ilustración del llenado de la cavidad del molde al 90, 99,5 y 100%.
[0084] Una vez que la cavidad del molde se ha llenado de resina y el material de fibra se ha impregnado de la misma, se deja que la resina se cure. La mitad de concha de pala fabricada que comprende el miembro de concha preformado con el laminado principal integrado puede entonces retirarse del molde o soporte inferior. Se forma una pala de turbina eólica conectando la parte de concha de pala preformada con una mitad de concha de pala que forma el lado de presión de la pala.
LISTA DE NÚMEROS DE REFERENCIA
[0085]
2 turbina eólica
4 torre
6 góndola
8 buje
10 pala
14 punta de pala
16 raíz de pala
18 borde de ataque
20 borde de salida
30 región de raíz
32 región de transición
34 región de perfil alar
36 lado de presión
38 lado de succión
40 hombro
42 miembro de concha de pala aerodinámica
44 laminado principal
46 primer lado lateral
48 segundo lado lateral
50 área longitudinal
52 superficie interior
54 superficie exterior
56 elemento central de sándwich
58 receso
60, 62 paredes opuestas ligeramente inclinadas
64 medio de flujo de resina inferior
66 capas de material de fibra secundaria
68 capa perforada pelable
70 medio de flujo de resina superior
72 zona de solapamiento longitudinal
74 malla polimérica inferior
76 malla polimérica inferior
78 zona longitudinal descubierta
80 primer canal longitudinal de entrada de resina 82 segundo canal longitudinal de entrada de resina 84 canal de entrada de resina longitudinal adicional 86 primer canal de vacío
88 segundo canal de vacío
90 bolsa de vacío
92 extremo de malla inferior
94 extremo de malla superior
96 parte inferior del molde o soporte

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Método de fabricación de una porción de pala de turbina eólica (10), especialmente una mitad de concha de pala, dicha porción de pala de turbina eólica comprende un miembro de concha de pala aerodinámica (42) y una tapa de larguero o laminado principal (44) integrado que se extiende longitudinalmente en una zona longitudinal predeterminada (50) del miembro de la concha (42), dicha zona tiene una longitud y una anchura definidas por un primer y un segundo lado lateral (46, 48), el método comprende la etapa de:
a. proporcionar un miembro de concha aerodinámica preformado, al menos sustancialmente curado (42), de una resina primaria reforzada por un material de fibra primaria y que tiene una superficie exterior y una superficie interior (54, 52)
b. disponer un medio de flujo de resina inferior (64) en la superficie interior (52) del miembro de concha (42) en una porción longitudinal del mismo que corresponde al menos al área longitudinal predeterminada (50) y que se extiende más allá del primer y segundo lado lateral (46, 48) del área predeterminada
c. colocar capas de un material de fibra secundario (66) que comprenda fibra de carbono para la tapa de larguero o el laminado principal (44) sobre el medio de flujo de resina inferior (64) en una porción longitudinal del mismo correspondiente a la zona predeterminada (50)
d. disponer un medio de flujo de resina superior (70) sobre el material de fibras secundarias colocado (66) de manera que se extienda lateralmente más allá del primer lado lateral (46) de la zona predeterminada (50) y se superponga al medio de flujo inferior (64) en una zona de superposición longitudinal (72) en el primer lado lateral (46)
e. disponer un primer canal longitudinal de entrada de resina (80) en el medio de flujo de resina superior y/o inferior (70, 64) lateralmente hacia fuera del primer lado lateral (46), y preferentemente en el medio de flujo superior (70) en la zona de solapamiento longitudinal (72) en el primer lado lateral (46) de la zona predeterminada (50)
f. disponer un primer canal de vacío longitudinal (86) en o sobre la superficie interior (52) del miembro de concha preformado (42) lateralmente hacia fuera del segundo lado lateral (48), y preferentemente en el medio de flujo inferior (64) hacia fuera del segundo lado lateral (48) de la zona predeterminada (50)
g. disponer de manera sellada una bolsa de vacío (90) sobre al menos la capa de fibra secundaria (66), el canal de vacío (86), el canal de entrada de resina (80) y el medio de flujo de resina inferior y superior (70, 64) para definir una cavidad de molde
h. aplicar una presión negativa a la cavidad del molde a través del canal de vacío (86)
i. suministrar una resina secundaria al material de refuerzo de fibra en la cavidad del molde a través del canal de entrada de resina (80)
j. permitir que la resina se cure para formar una tapa de larguero reforzada con fibra integrada o un laminado principal (44) en el miembro de concha de pala (42),
en la que la superficie interior del miembro de concha aerodinámica preformada (42) está provista de un rebaje longitudinal (58) que corresponde, al menos esencialmente, a la zona longitudinal predeterminada (50) y de al menos porciones del material de fibra secundaria (66) dispuestas en ella en la etapa d.
2. Un método según la reivindicación 1, en el que el material de fibra secundaria (66) comprende un híbrido de fibra de carbono y cualquier otra fibra, especialmente un híbrido de fibra de carbono y fibra de vidrio.
3. Un método según la reivindicación 1 y/o 2, en el que un segundo canal longitudinal de entrada de resina (82) está dispuesto en la zona de solapamiento longitudinal (72) en el primer lado lateral (46).
4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un canal longitudinal adicional de entrada de resina (84) está dispuesto en el medio de flujo inferior lateralmente hacia fuera de la zona de solapamiento (72).
5. U n método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un canal de vacío longitudinal adicional (88) está dispuesto en la superficie interior (52) del miembro de concha preformado (42) lateralmente hacia fuera del primer canal de vacío (86).
6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio de flujo superior (70) está dispuesto de manera que cubra todo el material de fibras secundarias tendido (66), excepto una zona longitudinal no cubierta del material de fibras secundarias tendido (66) adyacente al segundo lado lateral (48) y hacia el interior del mismo.
7. Un método según la reivindicación 6, en el que la zona no cubierta en el segundo lado lateral (48) tiene una anchura del 3-30% de la anchura de la zona longitudinal (50) entre el primer y el segundo lado lateral (46, 48).
8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio de flujo superior (70) comprende una primera capa inferior y una segunda capa superior de tejido de medio de flujo superpuesto.
9. Un método según la reivindicación 8, en el que una de dichas capas de medio de flujo, especialmente la capa de medio de flujo inferior (64) se extiende más hacia el segundo lado lateral (48) que la otra de dichas capas de tejido de medio de flujo.
10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el miembro de concha de pala aerodinámica preformado (42) se forma mediante moldeo por transferencia de resina (RTM), especialmente mediante moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM).
11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rebaje (58) está provisto de paredes laterales opuestas ligeramente inclinadas hacia arriba y hacia fuera (60, 62), siendo el ángulo de inclinación preferentemente inferior a 45°, especialmente entre 10° y 30°.
12. Una porción de pala de turbina eólica fabricada según cualquiera de los métodos de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Método de fabricación de una pala de turbina eólica que comprende:
- proporcionar una primera porción de pala, especialmente una mitad de concha de pala, y
- proporcionar una segunda porción de pala, especialmente una mitad de concha de pala, siendo al menos una de la primera y segunda porción de pala según la reivindicación 12, y
- ensamblar la primera y la segunda porción de pala para formar una pala de turbina eólica.
14. Una turbina eólica con al menos una pala fabricada según la reivindicación 13.
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