ES2916717B2 - Robot modular para reparacion remota de palas de turbinas eolicas - Google Patents

Robot modular para reparacion remota de palas de turbinas eolicas Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
ROBOT MODULAR PARA REPARACIÓN REMOTA DE PALAS DE TURBINAS EÓLICAS
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo de los robots controlados remotamente y se refiere a un robot para reparar zonas con daños o defectos de una pala de turbina eólica, con capacidad de realizar reparaciones de fisuras estructurales internas de dicha pala, accediendo a zonas de la pala donde un operario no puede acceder, evitando fallos catastróficos, prolongando así la vida útil de la pala.
Antecedentes de la invención
Una turbina eólica, también denominada "generador eólico” o "aerogenerador”, es un dispositivo que produce electricidad convirtiendo energía eólica en energía mecánica. Una turbina eólica convencional se compone de una torre, una góndola montada sobre la parte superior de la torre, y un rotor con varias palas montado sobre un eje en la góndola. Las palas de una turbina eólica son las estructuras de material compuesto de una sola pieza más grandes construidas en el mundo, incluso más grandes que las alas de cualquier avión. Adicionalmente, la tendencia en el sector es de poner en operación turbinas eólicas de una potencia cada vez mayor, con palas de más de 100 metros de longitud. Las palas sufren más de mil millones de ciclos de carga durante su vida útil, haciendo que la inspección y mantenimiento periódicos sean fundamentales para mantener las turbinas eólicas en servicio. Los métodos de inspección actuales tienen una limitada capacidad para detectar daños estructurales de forma temprana, lo cual es crucial para evitar reparaciones extremadamente costosas, evitar fallos catastróficos y para poder realizar su reparación de cara a alargar la vida útil de una pala.
Con las tecnologías actuales de reparación, es posible sanear y reparar las grietas en una longitud de hasta un tercio de la longitud total de una pala, mediante el acceso de un operario. No es posible reparar grietas en las otras dos terceras partes de la longitud total de la pala, por lo que se pueden propagar más y, potencialmente, generar un fallo catastrófico. Si son detectadas antes de un fallo estructural, se procedería a desechar y cambiar la pala. Además, los métodos y tecnologías disponibles actualmente de inspección y reparación internas de las palas requieren tiempos largos de parada de la turbina eólica, con el consiguiente agravio económico para la empresa operadora. Son trabajos con un coste elevado, y suponen exponer a los operarios a trabajar en altura, en espacios confinados y ambientes nocivos.
En el estado del arte existe una pluralidad de divulgaciones dirigidas a dispositivos no tripulados, remotamente controlados relacionados con la inspección y el mantenimiento de palas de turbinas eólicas. Se conoce KR10-2013-0025526 que define un concepto de un robot, que puede desplazarse por el exterior de la pala de turbina eólica con ruedas, para realizar tareas de inspección y mantenimiento. WO2015081013 define un concepto de un robot de mantenimiento y reparación para uso general, que puede desplazarse mediante orugas y está equipado de sensores y/o cámaras y un brazo con "una herramienta de mantenimiento estructural”, para aplicaciones de mantenimiento en infraestructuras edificios y puentes. WO2018010749 define un concepto de un robot "trepador” con cables guía que puede realizar operaciones de reparación en la superficie exterior de la pala. WO2019155234 define un concepto de un robot tipo araña, que puede desplazarse por el exterior de la turbina eólica con ventosas, para realizar tareas de inspección y mantenimiento. Finalmente se encuentra ES2554705, que describe un robot de mantenimiento para superficies verticales exteriores de la turbina eólica, equipado con un cañón de agua a alta presión.
En resumen, se puede evidenciar que los dispositivos existentes están enfocados a realizar tareas de mantenimiento y/o reparación en el exterior de la turbina eólica, tanto en la torre como en las palas.
De acuerdo con la información suministrada anteriormente, se puede destacar que en el estado del arte existe una necesidad por diseñar e implementar un robot o un dispositivo remotamente controlado, que puede realizar reparaciones de fisuras en el interior de la pala, accediendo a zonas de la pala donde un operario no puede acceder, evitando fallos catastróficos, prolongando así la vida útil de la pala.
Descripción resumida de la invención
La presente invención se refiere a un robot modular para reparar remotamente zonas debilitadas de una pala de turbina eólica.
En particular, el robot de la presente invención permite reparar fisuras y grietas manteniendo la pala montada en la turbina eólica, con lo que se evita el tener que desmontar la pala de su posición de operación y bajarla hasta el nivel del suelo para proceder a reforzar la zona debilitada por las grietas o fisuras. Además, el robot de la presente invención permite realizar las reparaciones de las fisuras y grietas en zonas lejos de la raíz de la pala, donde un operario no puede acceder, siendo el robot de dimensiones muy reducidas.
Para lograr dicho objetivo, el robot de la presente innovación comprende tres módulos. Un módulo delantero y un módulo trasero incluyen sistemas de tracción, respectivamente delantero y trasero, tal que, por ejemplo, mediante orugas delanteras y traseras. Adicionalmente, intercalado entre los módulos delantero y trasero, se dispone de un módulo intermedio intercambiable destinado a realizar operaciones de reparación. En este sentido, el módulo intermedio puede ser: un módulo intermedio de mecanizado, destinado a realizar funciones de mecanizado, sobre todo, fresado; o un módulo intermedio de parcheado, destinado a llevar a cabo aplicación, compactación y curado de parches de reparación pre­ impregnados de materiales compuestos. En función de si la operación para reparar la fisura consiste en efectuar un mecanizado o en disponer un parche de reparación, el módulo intermedio que se dispone entre los módulos delantero y trasero es el módulo intermedio de mecanizado, o bien el módulo intermedio de parcheado, respectivamente.
Los tres módulos son de tamaño reducido, es decir, de un tamaño que permite alcanzar zonas de la pala imposibles de acceder por un operario. El módulo intermedio de parcheado integra una vejiga de expansión que se adapta y ejerce una presión uniforme sobre la zona a reparar, e integra además una manta térmica en la vejiga de expansión para el curado a una temperatura controlada. El robot cuenta con electrónica de control de las operaciones y transformación de corriente eléctrica en el módulo delantero.
El robot modular de la presente invención comprende además un sistema de control en remoto, unido preferentemente al módulo trasero, aunque también puede ser al módulo delantero, mediante un cable umbilical, para conexiones eléctricas y de comunicaciones, transmisión de datos, para el manejo y monitorización a distancia de las operaciones de mecanizado y aplicación de los parches de reparación.
En una realización preferente, el sistema de control cuenta con patrones preconfigurados de mecanizado, tal que de fresado, y parches de material pre-impregnado compuesto pre­ cortados, previamente testeados y validados.
El sistema de control puede realizar una monitorización de parámetros críticos de proceso, tales como dimensiones de mecanizado, temperatura y presión de curado, generando un informe con el cual se certifica la reparación.
En una realización, el módulo intermedio de mecanizado dispone de medios de palpado por contacto, comunicados con el sistema de control, para determinar la forma exacta de la superficie a mecanizar.
En una realización, el sistema de control puede tener configurados ruteados de mecanizado predefinidos según la reparación a realizar.
En una realización, los sistemas de tracción de los módulos delantero y trasero pueden estar equipados con orugas, y encoders, para determinar el desplazamiento realizado y su posición exacta.
En una realización, el robot puede integrar cámaras de alta resolución, tales como: una cámara delantera; una cámara trasera; una cámara de mecanizado, inferior; y una cámara de parcheado, superior, para colocación del parche.
En una realización, el robot integra su propio compresor y un generador de vacío.
En una realización, el módulo intermedio de mecanizado integra ventosas para inmovilizarlo, y evitar movimientos o vibraciones durante el mecanizado.
En una realización, el módulo intermedio de mecanizado integra un sistema de aspiración para aspirar residuos de mecanizado, y almacena residuos en un depósito del módulo funcional trasero.
En una realización, el módulo intermedio de parcheado cuenta con un sistema de elevación tipo tijera, para aplicar el parche, y soportar el esfuerzo de la vejiga de expansión.
En una realización, el módulo intermedio de mecanizado realiza marcas de referencia para permitir un óptimo posicionamiento en la posterior operación de aplicación de parche de reparación.
En una realización, el módulo intermedio de parcheado integra sensores de temperatura en la manta térmica y un sensor de presión en el circuito neumático, de aire, de la vejiga.
En una realización, el cable umbilical entre el robot y el sistema de control está integrado en una cubierta resistente, permitiendo la recuperación del dispositivo en el caso de avería.
En una realización, el módulo intermedio de mecanizado puede integrar un láser para determinar la zona de mecanizado.
En una realización, los módulos intermedios, de mecanizado y de parcheado, pueden contar con conexiones específicas, preferentemente de las conocidas como "rápidas” para la corriente eléctrica, las comunicaciones y el suministro de aire comprimido.
En una realización, el robot, por medio de sus segundos módulos adicionales, cuenta con una plataforma que lleva fungibles para la reparación en forma de capas apilables con material compuesto pre-impregnado, cortado de forma escalonada, material pelable, film perforado y manta de absorción, integrando una pinza que sujeta la capa pelable ("peelply”), para retirarlo una vez terminado el ciclo de curado.
En una realización, el módulo intermedio de parcheado dispone de una plataforma superior orientable, que permite el posicionamiento preciso del parche sobre la zona previamente mecanizada y a reparar.
Listado de referencias
1 Módulo delantero
2 Módulo intermedio de mecanizado
3 Módulo trasero
4 Iluminación LED de 1
5 Ruedas de contacto superiores
6 Sistema de conexión de comunicaciones y alimentación rápida
7 Tubo de conexión rápida
8 Cámara de mecanizado
9 Cabezal de fresado
10 Sistema de conexión rápida
11 Encóder de 1
12 Orugas delanteras
13 Motor eléctrico delantero
14 Ruedas de desplazamiento de mecanizado
15 Motor eléctrico trasero
16 Orugas traseras
17 Ruedas de contacto laterales
18 Ventosas
19 Compresor
20 Cámara delantera
21 Módulo intermedio de parcheado
22 Parche de reparación
23 Cámara de parcheado
24 Vejiga de expansión de 21
25 Tijeras de plataforma de elevación de 21
26 Sensores de presión de 21
27 Sensores de temperatura de 21
28 Pala
29 Ruedas de desplazamiento de parcheado
30 lluminación LED de 3
31 Cámara trasera
32 Sistema de control
33 Rotot
34 Fisura de la pala
35 Enrollador de 36
36 Cable umbilical
37 Operario
Breve descripción de las figuras
La presente invención se entiende de forma más clara a partir de las siguientes figuras donde se muestran los componentes asociados al robot de la presente invención, así como los elementos novedosos con respecto al estado del arte, en donde las figuras son de carácter informativo y no pretenden limitar el alcance de la invención, en donde:
La Figura 1 ilustra una vista en perspectiva de acuerdo con una primera realización del robot de la presente invención, con módulo intermedio de mecanizado de tipo fresado.
La Figura 2 muestra una vista lateral esquemática del robot de la figura 1.
La Figura 3 muestra una vista superior esquemática del robot de las figuras 1-2.
La Figura 4 muestra una vista inferior esquemática del robot de las figuras 1-3.
La Figura 5 muestra una vista frontal esquemática del robot de las figuras 1-4.
La Figura 6 ilustra una vista en perspectiva de acuerdo con una segunda realización del robot de la presente invención, con módulo intermedio de parcheado.
La Figura 7 muestra una vista lateral esquemática del robot de la figura 6.
La Figura 8 muestra una vista superior esquemática del robot de las figuras 6-7.
La Figura 9 muestra una vista inferior esquemática del robot de las figuras 6-8.
La Figura 10 muestra una vista frontal esquemática del robot de las figuras 6-9.
La Figura 11 muestra una vista frontal esquemática del sistema de control del robot de la presente invención.
La Figura 12 muestra la operación de colocación del robot de las figuras 1-5 en la pala, antes de su desplazamiento hasta la posición donde realizar la reparación mediante una operación de mecanizado de tipo fresado.
La Figura 13 muestra el robot de las figuras 1-5 y 12 en la pala, desplazado hasta la posición donde realizar la reparación.
La Figura 14 muestra el robot de las figuras 1-5 y 12-13, realizando la operación de fresado.
La Figura 15 muestra la operación de colocación del robot de las figuras 6-10 en la pala, con la pala girada 180°, antes de su desplazamiento hasta la posición donde realizar la reparación mediante una operación de pegado del parche de reparación.
La Figura 16 muestra el robot de las figuras 6-10 y 15 en la pala, desplazado hasta la posición donde realizar la reparación.
La Figura 17 muestra el robot de las figuras 6-10 y 15-16 en la pala, realizando la operación de pegado del parche de reparación, con aplicación de presión y temperatura.
La Figura 18 muestra el robot de las figuras 6-10 y 15-17 en la pala, una vez terminada la operación de pegado del parche de reparación.
La Figura 19 muestra el robot de las figuras 6-10 y 15-18 en la pala, retornado a la posición de salida.
Descripción detallada de la invención
Con referencia a las Figuras 1 a 19, se ilustra un ejemplo de realización o modalidad preferida de la presente invención.
Como se puede apreciar a partir de las diferentes vistas representadas en las Figuras 1 a 19, la presente invención se refiere a un robot 33 para reparar zonas debilitadas de una pala 28 de turbina eólica, con la capacidad de realizar reparaciones de fisuras 34 estructurales internas de la pala 28.
De acuerdo con la figura 1, el robot 33 (ver figura 12) tiene un módulo delantero 1, de tracción, con iluminación delantera 4 de tipo LED, así como tiene un módulo trasero 3, también de tracción. Tiene además un módulo intermedio de mecanizado 2, intercambiable, para mecanizar, en general, fresar, formas predefinidas en la zona donde se ha detectado una fisura 34 (ver figura 12). La figura 2 muestra que los módulos delantero 1 y trasero 3 incorporan ruedas de contacto superiores 5, tal que de tipo omnidireccional, también denominadas "omniwheel”. El módulo delantero 1 incorpora un sistema de aspiración con un tubo de conexión 7, preferentemente de conexión rápida, además de un sistema de conexión de comunicaciones y alimentación 6, preferentemente de tipo "rápida”. El módulo intermedio de mecanizado 2 incorpora una cámara de mecanizado 8, de alta resolución, para monitorización de la operación de mecanizado/fresado. Incorpora un cabezal de fresado 9 de tres ejes montado sobre guías lineales. El módulo intermedio de mecanizado 2 incorpora también un sistema de conexión 10, tal que de tipo conexión rápida, con el módulo trasero 3. El módulo trasero 3 incorpora un sistema de tracción trasero con orugas traseras 16, accionadas por un motor eléctrico trasero 15. El módulo intermedio de mecanizado 2 incorpora cuatro ruedas de desplazamiento de mecanizado 14. El módulo delantero 1 incorpora un sistema de tracción trasero con orugas delanteras 12, accionadas por un motor eléctrico delantero 13, e incorpora un encoder 11 para determinar con precisión el desplazamiento realizado.
Tal como se puede observar en la figura 3, los módulos delantero 1 y trasero 3 incorporan ruedas de contacto laterales 17, de cara a proteger al robot 33 de roces con las caras internas del espacio de trabajo.
En la figura 4 se puede ver que el módulo intermedio de mecanizado 2 integra dos ventosas 18 para inmovilizarlo, y evitar movimientos o vibraciones durante la operación de fresado. Incorpora además un compresor 19 y un generador de vacío, para generar vacío.
El módulo delantero 1 incorpora una cámara delantera 20 de alta resolución, ver figura 5.
En la figura 6 se puede observar un módulo intermedio de parcheado 21, que transporta parches 22 de reparación, y una cámara de parcheado 23, de alta resolución.
De acuerdo con la figura 7, el segundo módulo intermedio de parcheado 21, para aplicación de los parches 22, tiene una plataforma de elevación mediante tijeras 25, e incorpora una vejiga de expansión 24. También incorpora, ver figura 8, sensores de presión 26 y sensores de temperatura 27 para poder monitorizar la operación de pegado del parche 22. Incorpora cuatro ruedas de desplazamiento de parcheado 29, ver figura 9.
Se puede observar en la figura 10, que el módulo trasero 3 incorpora iluminación trasera 30, de tipo LED, y una cámara trasera 31 de alta resolución.
La figura 11 muestra un sistema de control 32 en remoto, en el que se visualizan las imágenes captadas en tiempo real y que puede realizar una monitorización de parámetros críticos de proceso como dimensiones de fresado, temperatura y presión de curado, generando un informe de certificación de la reparación.
La figura 12 muestra un ejemplo de colocación del robot 33 con el módulo intermedio de mecanizado 2 dentro de la pala 28 realizado por un operario 37, para comenzar el proceso de reparación de una fisura 34.
La figura 13 muestra un ejemplo de funcionamiento del robot 33 de la figura 12, controlado por el operario 37 con un sistema de control 32, desplazado hasta la fisura 34 a reparar, con un cable umbilical 36, y el enrollador 35 para enrollar el cable umbilical 36.
La figura 14 muestra un ejemplo de operación de fresado con una forma predefinida.
La figura 15 muestra el robot 33 con el módulo intermedio de parcheado 21 colocado dentro de la pala 28, que ya se ha girado 180°, para que la zona a reparar, con la fisura 34, se ubique encima del robot 33.
La figura 16 muestra el robot 33 con el módulo intermedio de parcheado 21 desplazado hasta la zona de reparación.
La figura 17 muestra el robot 33 con el módulo intermedio de parcheado 21 posicionado en la zona de reparación, aplicando el parche 22 con la plataforma de elevación en posición elevada, aplicando una presión y temperatura predefinidas.
La figura 18 muestra el robot 33 con el módulo intermedio de parcheado 21 posicionado en la zona de reparación, cuando la operación de aplicación del parche 22 se ha terminado.
La figura 19 muestra el robot 33 con el módulo intermedio de parcheado 21 retornado hasta la posición donde está el operario 37.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. - Robot (33) modular para reparación de palas (28) de turbinas eólicas, caracterizado por que comprende:
- un módulo delantero (1), con un sistema de tracción delantero;
- un módulo trasero (3), con un sistema de tracción trasero; estando los módulos delantero (1) y trasero (3) configurados para circular por todo el interior de una pala (28) de una turbina eólica;
- dos módulos intermedios (2, 21), intercalables separablemente de manera selectiva entre el módulo delantero (1) y el módulo trasero (3), para realizar operaciones de reparación de grietas (34) y fisuras en la pala (28), y que comprenden:
- un módulo intermedio de mecanizado (2), para realizar mecanizado en las fisuras y grietas (34) desde dentro de la pala (28); y
- un módulo intermedio de parcheado (21), para aplicar, compactar y curar parches (22) de reparación sobre las fisuras y grietas (34); y
- un sistema de control (32) en remoto, para monitorizar parámetros y controlar las acciones de reparación.
2. - Robot (33) modular según reivindicación 1, caracterizado por que el módulo intermedio de parcheado (21) comprende:
- una vejiga de expansión (24) configurada, y comunicada con el sistema de control (32), para adaptarse a la grieta (34) o fisura y ejercer presión uniforme; y
- una manta térmica en la vejiga de expansión (24) para curar a temperatura controlada.
3. - Robot (33) modular según reivindicación 2, caracterizado por que el módulo intermedio de parcheado (21) comprende una plataforma de elevación tipo tijera (25), para aplicar el parche (22), y soportar el esfuerzo de la vejiga de expansión (24).
4. - Robot (33) modular según reivindicación 3, caracterizado por que el módulo intermedio de parcheado (21) integra sensores de temperatura (27) en la manta térmica y un sensor de presión (26) en un circuito neumático de la vejiga de expansión (24).
5. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que el sistema de tracción delantero incluye orugas delanteras (16) y un encoder (11), mientras que el sistema de tracción trasero incluye orugas traseras (12).
6. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por que comprende al menos una de las siguientes cámaras (8, 20, 23, 31) de alta resolución:
- cámara delantera (20), montada en el módulo delantero (1);
- cámara trasera (31), montada en el módulo trasero (3);
- cámara de mecanizado (8), en la parte inferior del módulo intermedio de mecanizado (21), para monitorizar la operación de mecanizado y
- cámara de parcheado (23), en la parte superior del módulo intermedio de parcheado, para monitorizar la operación de parcheado.
7. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por que el módulo intermedio de mecanizado (2) comprende un compresor (19) y un generador de vacío.
8. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que el módulo intermedio de mecanizado (2) comprende ventosas (18) para inmovilización.
9. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por que el módulo intermedio de mecanizado (2) comprende un sistema de aspiración () para aspirar restos de mecanizado y un depósito para guardar los restos de mecanizado aspirados.
10. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado por que el módulo intermedio de mecanizado (2) dispone de medios de palpado por contacto, comunicados con el sistema de control (32), para determinar la forma exacta de la superficie a mecanizar.
11. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado por que el sistema de control (32) está configurado para monitorizar parámetros de mecanizado.
12. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado por que el módulo intermedio de mecanizado (2) está configurado para realizar marcas de referencia en la pala (28) para permitir posicionamiento en una posterior operación de aplicación de parche (22).
13. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, caracterizado por que el módulo intermedio de mecanizado (2) comprende un láser para determinar la zona de mecanizado.
14. - Robot (33) modular según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, caracterizado por que comprende un cable umbilical (36) que conecta el sistema de control (32) con el módulo delantero (1) o el módulo trasero (3).
15. - Robot (33) modular según reivindicación 14, caracterizado por que el cable umbilical (36) comprende además una cubierta protectora para permitir recuperación del robot (33) en caso de avería.
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