ES2927334T3 - Componentes de pala de rotor pultrusionados que tienen bordes acoplables entre sí - Google Patents

Componentes de pala de rotor pultrusionados que tienen bordes acoplables entre sí Download PDF

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Christopher Daniel Caruso
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Abstract

Se describen componentes de palas de rotor para turbinas eólicas 10 que tienen bordes entrelazados 50 y métodos para fabricarlos. En un aspecto de la presente divulgación, el componente de la pala del rotor incluye una pluralidad de miembros pultruidos 40 dispuestos en una o más capas 38. Cada uno de los miembros pultruidos 40 está construido con una pluralidad de fibras 42 unidas entre sí a través de un material de resina curada 44. Además, cada uno de la pluralidad de miembros pultrusionados 40 incluye uno o más bordes entrelazados 50. Por lo tanto, los miembros extruidos adyacentes 40 pueden alinearse a través de los correspondientes bordes entrelazados 50. Los miembros pultruidos 40 se aseguran además juntos para crear un solo miembro estructural. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Componentes de pala de rotor pultrusionados que tienen bordes acoplables entre sí
La presente descripción se refiere, en general, a palas de rotor de un aerogenerador y, más concretamente, a componentes de pala de rotor pultrusionados que tienen bordes acoplables entre sí.
La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y respetuosas con el medio ambiente disponibles en la actualidad, y los aerogeneradores han ganado cada vez más atención en este sentido. Un aerogenerador moderno normalmente incluye una torre, un generador, un multiplicador, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor capturan la energía cinética del viento utilizando principios aerodinámicos conocidos y transmiten la energía cinética a través de la energía de rotación para hacer girar un eje que acopla las palas de rotor a un multiplicador o, si no se utiliza multiplicador, directamente al generador. Después, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que puede enviarse a una red de servicio.
Las palas de rotor de un aerogenerador generalmente incluyen una carcasa formada por dos mitades de carcasa de un material laminado compuesto. Las mitades de carcasa generalmente se fabrican mediante procesos de moldeo y después se acoplan a lo largo de los extremos correspondientes de la pala de rotor. En general, la carcasa es relativamente ligera y presenta unas propiedades estructurales (por ejemplo, rigidez, resistencia al pandeo y robustez) que no están configuradas para resistir los momentos de flexión y otras cargas ejercidas sobre la pala de rotor durante el funcionamiento. Además, las palas de los aerogeneradores cada vez son más largas para producir más energía. Como resultado, las palas deben ser más rígidas y, por lo tanto, más pesadas para mitigar las cargas sobre el rotor.
Para aumentar la rigidez, la resistencia al pandeo y la robustez de la pala de rotor, la carcasa típicamente se refuerza utilizando uno o más componentes estructurales (por ejemplo, refuerzos longitudinales opuestos con un larguero configurado entre los mismos) que se acoplan a las superficies internas de las mitades de la carcasa. Los refuerzos longitudinales pueden construirse de varios materiales, incluyendo, entre otros, compuestos laminados de fibra de vidrio y/o compuestos laminados de fibra de carbono. Sin embargo, dichos materiales pueden ser difíciles de controlar, propensos a defectos y/o requieren mucha mano de obra debido a la manipulación de tejidos secos y previamente impregnados y a los desafíos de infundir grandes estructuras laminadas.
Como tales, los refuerzos longitudinales modernos pueden construirse con compuestos prefabricados y previamente curados (es decir, pultrusionados) que pueden producirse en secciones más gruesas y son menos susceptibles a defectos. En consecuencia, los materiales compuestos pultrusionados pueden eliminar varias preocupaciones y desafíos asociados al uso de tejido seco solo. Tal como se utiliza aquí, los términos "compuestos pultrusionados", "pultrusiones", "elementos pultrusionados" o similares, en general, abarcan materiales reforzados (por ejemplo, fibras o hebras tejidas o trenzadas) que se impregnan con una resina y se pasan a través de una matriz estacionaria de modo que la resina cura o experimenta polimerización mediante calor añadido u otros procedimientos de curado. Como tal, el proceso de fabricación de materiales compuestos pultrusionados se caracteriza típicamente por un proceso continuo de materiales compuestos que produce piezas compuestas que presentan una sección transversal constante. A continuación, puede unirse una pluralidad de pultrusiones para formar los refuerzos longitudinales y/o varios otros componentes de las palas del rotor.
Los documentos US 2013/333823 A1, US 2014/301859 A1, y NL 8104019 A describen componentes de palas de rotor para un aerogenerador.
En consecuencia, la técnica continuamente busca nuevos y mejores procedimientos para fabricar componentes de palas de rotor, tales como los refuerzos longitudinales, utilizando elementos pultrusionados. Más específicamente, serían ventajosos procedimientos de fabricación de componentes de palas de rotor que presenten extrusiones acoplables entre sí.
Varios aspectos y ventajas de la invención se explicarán en parte en la siguiente descripción, o pueden ser claros a partir de la descripción.
La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.
Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan y forman parte de esta memoria, ilustran unas realizaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:
La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de una realización de un aerogenerador de acuerdo con la presente descripción;
La figura 2 ilustra una vista en perspectiva de una de las palas de rotor de la figura 1;
La figura 3 ilustra una vista en sección transversal de la pala de rotor de la figura 2 a lo largo de la línea 3-3; La figura 4 ilustra una vista en sección transversal de un refuerzo longitudinal pultrusionado;
La figura 5 ilustra una vista en sección transversal de uno de los elementos pultrusionados del refuerzo longitudinal de la figura 4;
La figura 6 ilustra una vista en sección transversal de una realización de un refuerzo longitudinal pultrusionado de acuerdo con la presente descripción;
La figura 7 ilustra vistas en sección transversal de realizaciones adicionales de un refuerzo longitudinal de acuerdo con la presente descripción, que ilustran, en particular, elementos pultrusionados únicos separados, cada uno de los cuales forma una capa del refuerzo longitudinal;
La figura 8 ilustra vistas en sección transversal de varias realizaciones en las figuras 8 (A), 8 (B) y 8 (C) de componentes acoplables entre sí configurados para formar una o más capas de un refuerzo longitudinal pultrusionado de acuerdo con la presente descripción;
La figura 9 ilustra vistas en sección transversal de diversas realizaciones de componentes acoplables entre sí y capas configuradas para formar un refuerzo longitudinal pultrusionado de acuerdo con la presente descripción; y La figura 10 ilustra un diagrama de flujo de un procedimiento de fabricación de componentes de palas de rotor de acuerdo con la presente descripción.
Se hará referencia en detalle ahora a unas realizaciones de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se da a modo de explicación de la invención, no como limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la materia que pueden realizarse diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización pueden utilizarse con otra realización para producir otra realización más. Por lo tanto, se pretende que la presente invención cubra las modificaciones y variaciones que queden dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
En general, la presente descripción va dirigida a componentes de pala de rotor pultrusionados mejorados para un aerogenerador y a procedimientos para fabricarlos. Por ejemplo, en una realización, el componente de pala de rotor incluye una pluralidad de elementos pultrusionados dispuestos en dos o más capas. Cada uno de los elementos pultrusionados está construido con una pluralidad de fibras curadas juntas a través de un material de resina. Durante el proceso de pultrusión, los componentes se moldean y curan para incluir uno o más bordes acoplables entre sí. Por lo tanto, los elementos pultrusionados pueden disponerse en dos o más capas y acoplarse entre sí y autoalinearse con elementos pultrusionados adyacentes a través de los correspondientes bordes acoplables entre sí.
La presente descripción proporciona muchas ventajas que no están presentes en la técnica anterior. Por ejemplo, los componentes de las palas de rotor de la presente descripción son menos propensos a defectos y tienen propiedades de materiales conocidas. Además, dado que los componentes de las palas del rotor se curan previamente, se reducen y/o eliminan las arrugas y el desprendimiento de las capas. Además, debido a que los componentes de las palas del rotor están diseñados a una altura conocida definida por la matriz caliente, la tolerancia del grosor del elemento pultrusionado y el apilamiento pueden controlarse mejor, reduciendo así el tiempo de ciclo del proceso de fabricación.
Con referencia ahora a los dibujos, la figura 1 ilustra una vista en perspectiva de un aerogenerador de eje horizontal 10. Debe apreciarse que el aerogenerador 10 también puede ser un aerogenerador de eje vertical. Tal como se muestra en la realización ilustrada, el aerogenerador 10 incluye una torre 12, una góndola 14 montada en la torre 12 y un eje de rotor 18 que está acoplado a la góndola 14. La torre 12 puede fabricarse en acero tubular u otro material adecuado. El buje de rotor 18 incluye una o más palas de rotor 16 acopladas al buje 18 y que se extienden radialmente hacia afuera del mismo. Tal como se muestra, el buje de rotor 18 incluye tres palas de rotor 16. Sin embargo, en una realización alternativa, el buje de rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 16. Las palas de rotor 16 hacen girar el buje de rotor 18 para permitir que la energía cinética se transfiera del viento a energía mecánica utilizable y, posteriormente, a energía eléctrica. Específicamente, el buje 18 puede acoplarse de manera giratoria a un generador eléctrico (no ilustrado) situado dentro de la góndola 14 para la producción de energía eléctrica.
Haciendo referencia a las figuras 2 y 3, se ilustra una de las palas de rotor 16 de la figura 1 de acuerdo con aspectos que se describen aquí. En particular, la figura 2 ilustra una vista en perspectiva de la pala de rotor 16, mientras que la figura 3 ilustra una vista en sección transversal de la pala de rotor 16 a lo largo de la línea de sección 3-3 que se muestra en la figura 2. Tal como se muestra, la pala de rotor 16 generalmente incluye una raíz de pala 30 configurada para montarse o de otro modo sujetarse al buje 18 (figura 1) del aerogenerador 10 y una punta de pala 32 dispuesta opuesta a la raíz de pala 30. Entre la raíz de la pala 30 y la punta de la pala 32 se extiende generalmente una carcasa 21 de la pala de rotor, a lo largo de un eje longitudinal 27. La carcasa 21, en general, puede actuar de envoltura/cubierta exterior de la pala de rotor 16 y puede definir un perfil sustancialmente aerodinámico, tal como definiendo una sección transversal en forma de superficie aerodinámica simétrica o curvada. La carcasa 21 también puede definir un lado de presión 34 y un lado de succión 36 que se extienden entre el extremo de ataque y de salida 26, 28 de la pala de rotor 16. Además, la pala de rotor 16 también puede presentar una envergadura 23 que define la longitud total entre la raíz de la pala 30 y la punta de la pala 32 y una cuerda 25 que define la longitud total entre el borde de ataque 26 y el borde de salida 28. Tal como se entiende en general, la cuerda 25 generalmente puede variar en longitud respecto a la envergadura 23 a medida que la pala de rotor 16 se extiende desde la raíz de la pala 30 hasta la punta de la pala 32.
En varias realizaciones, la carcasa 21 de la pala de rotor 16 puede estar formada como un solo componente unitario. Alternativamente, la carcasa 21 puede estar formada a partir de una pluralidad de componentes de carcasa. Por ejemplo, la carcasa 21 puede fabricarse a partir de una primera mitad de carcasa que defina sustancialmente el lado de presión 34 de la pala de rotor 16 y una segunda mitad de carcasa que defina sustancialmente el lado de succión 36 de la pala de rotor 16, estando sujetas entre sí dichas mitades de carcasa en el extremo de ataque y de salida 26, 28 de la pala 16. Además, la carcasa 21 puede estar formada, en general, de cualquier material adecuado. Por ejemplo, en una realización, la carcasa 21 puede estar formada completamente de un material compuesto laminado, tal como un compuesto laminado reforzado con fibra de carbono o un compuesto laminado reforzado con fibra de vidrio. Alternativamente, una o más partes de la carcasa 21 pueden presentar una configuración en capas y pueden incluir un material central, formado de un material ligero tal como madera (por ejemplo, balsa), espuma (por ejemplo, espuma de poliestireno extruido) o una combinación de dichos materiales, dispuestos entre capas de material compuesto laminado.
Haciendo referencia en particular a la figura 3, la pala de rotor 16 también puede incluir uno o más componentes estructurales que se extienden longitudinalmente configurados para proporcionar mayor rigidez, resistencia al pandeo y/o robustez a la pala de rotor 16. Por ejemplo, la pala de rotor 16 puede incluir un par de refuerzos longitudinales que se extienden longitudinalmente 20, 22 configurados para acoplarse contra las superficies internas opuestas 35, 37 del lado de presión y succión 34, 36 de la pala de rotor 16, respectivamente. Además, entre los refuerzos longitudinales 20, 22 puede disponerse uno o más largueros 24 para formar una configuración a modo de viga. Los refuerzos longitudinales 20, 22 en general pueden diseñarse para controlar los esfuerzos de flexión y/u otras cargas que actúan sobre la pala de rotor 16 en una dirección sustancialmente a lo largo de la envergadura (una dirección paralela a la envergadura 23 de la pala de rotor 16) durante el funcionamiento de un aerogenerador 10. De manera similar, los refuerzos longitudinales 20, 22 también pueden diseñarse para soportar la compresión a lo largo de la envergadura que se produce durante el funcionamiento del aerogenerador 10.
Haciendo referencia ahora a la figura 4, se muestra una vista en sección transversal de un refuerzo longitudinal 20 construido con una pluralidad de elementos pultrusionados 40 dispuestos en capas 38. Además, la figura 5 ilustra una vista en sección transversal detallada de uno de los elementos pultrusionados 40 de la figura 4. Tal como se muestra en la figura 4, los elementos pultrusionados 40 se encuentran alineados uno al lado del otro para formar una única capa 38. A continuación, las capas 38 se apilan una encima de otra y se unen, por ejemplo, mediante infusión al vacío o cualquier otro procedimiento adecuado. Tal como se muestra en la figura 5, cada uno de los elementos pultrusionados 40 está formado por una pluralidad de fibras 42 (por ejemplo, fibras, haces de fibras y/o telas tejidas, trenzadas o de velo) unidas entre sí con un material de resina curada 44. Más específicamente, las fibras 42 pueden incluir fibras de vidrio, fibras de carbono o cualquier otro material de fibra adecuado. Además, el material de resina 44 puede incluir cualquier resina adecuada, incluyendo, entre otras, poliéster, poliuretano, tereftalato de polibutileno (PBT), tereftalato de polietileno (PET), viniléster, epoxi o similar, pero sin limitarse a éstas. Debe entenderse que los elementos pultrusionados 40 de la presente descripción son componentes prefabricados y previamente curados fabricados utilizando cualquier procedimiento adecuado conocido en la técnica. Por lo tanto, de acuerdo con ciertos aspectos de la presente descripción, una pluralidad de elementos pultrusionados 40 pueden unirse después para formar el refuerzo longitudinal 20. Más específicamente, los elementos pultrusionados pueden unirse y/o sujetarse mediante infusión al vacío, adhesivo, material semi-impregnado, material previamente impregnado.
Haciendo referencia ahora a las figuras 6-9, se ilustran otras realizaciones de elementos pultrusionados 40 para utilizar en la construcción de componentes de palas de rotor (por ejemplo, refuerzos longitudinales) de acuerdo con la presente descripción. Más específicamente, los elementos pultrusionados 40 incluyen uno o más bordes acoplables entre sí 50 que presentan una geometría predeterminada. Por lo tanto, los elementos pultrusionados adyacentes 40 pueden conectarse o autoalinearse a través de los correspondientes bordes acoplables entre sí 50. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 6, se ilustra una realización de un refuerzo longitudinal 20 que tiene elementos pultrusionados acoplables entre sí 40 de acuerdo con la presente descripción. Más específicamente, en la realización ilustrada, el refuerzo longitudinal 20 incluye capas de un solo componente 38, es decir, los elementos pultrusionados 40 constituyen todo el grosor de cada capa 38. Además, cada uno de los elementos pultrusionados acoplables entre sí 40 puede incluir sustancialmente una sección transversal en forma de V o de V invertida que se auto-alinea con un componente 40 y/o capa 38 adyacente. Una vez que se han dispuesto los elementos pultrusionados 40 y/o capas 38, los componentes 40 pueden unirse, por ejemplo, por infusión al vacío o aplicando adhesivo entre los componentes 40 y/o las capas 38.
Los elementos pultrusionados 40 pueden fabricarse utilizando cualquier procedimiento adecuado para fabricar piezas prefabricadas previamente curadas conocidas en la técnica. Por ejemplo, en una realización particular, tal como se ha mencionado, pueden impregnarse múltiples fibras con un material de resina. Las fibras impregnadas pueden curarse después para formar los elementos pultrusionados 40. Más específicamente, las fibras impregnadas pueden curarse y formarse calentando las fibras en una matriz caliente. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, la matriz caliente puede incluir una cavidad de molde correspondiente a la forma de los bordes acoplables entre sí 50 de modo que la cavidad de molde tenga la forma deseada en la pieza terminada. Después, se disponen los elementos pultrusionados 40 de manera que los elementos adyacentes 40 queden auto-alineados entre sí. Además, después de auto-alinear los elementos pultrusionados 40, las capas conectadas 38 pueden sujetarse entre sí para formar el componente de la pala de rotor, por ejemplo, a través de infusión al vacío o unión de los componentes y/las capas mediante un adhesivo, un material semi-impregnado y/o un material previamente impregnado.
Haciendo referencia particularmente a la figura 7, se ilustra una vista más detallada de varios refuerzos longitudinales 20 de acuerdo con la presente descripción. Más específicamente, se muestra una vista en perspectiva de un refuerzo longitudinal 20 que ilustra las direcciones de la envergadura y de la cuerda, así como múltiples vistas transversales del refuerzo longitudinal 20 que ilustran diferentes realizaciones de los elementos pultrusionados 40 dispuestos que tienen bordes acoplables entre sí 50. Por ejemplo, la figura 7(A) ilustra la realización de la figura 6 con espacio entre cada uno de los elementos pultrusionados 40 para ilustrar mejor los bordes acoplables entre sí 50, mientras que la figura 7(B) ilustra otra realización de los elementos pultrusionados 40 que tienen bordes acoplables entre sí 50 arqueados o redondeados. Debe entenderse que los bordes acoplables entre sí 50 pueden presentar una sección transversal de cualquier forma adecuada que permita que los elementos pultrusionados 40 se auto-alineen y se interconecten entre sí. Por ejemplo, tal como se muestra en general en las figuras, los bordes acoplables entre sí 50 de los elementos pultrusionados 40 pueden presentar una sección transversal de cualquiera de las siguientes formas: cola de milano, arqueada, forma de V, forma de U, o rótula.
Por lo tanto, debe entenderse que las realizaciones ilustradas en las figuras se ilustran únicamente con fines de ejemplo y no pretenden ser limitativas.
Además, tal como se muestra en las figuras 8 y 9, los bordes acoplables entre sí 50 de los elementos pultrusionados 40 corresponden a los bordes acoplables entre sí laterales (figuras 8(A), 8 (B), 8(C) y 9(B) de los elementos pultrusionados 40 y a los bordes acoplables entre sí superior e inferior (figuras 7(A) y 7(B) de los elementos pultrusionados 40.
Debe entenderse también que los elementos pultrusionados 40 tal como se describe aquí pueden utilizarse para construir varios otros componentes de la pala de rotor, además del refuerzo longitudinal 20. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, los elementos pultrusionados 40 pueden utilizarse para construir el larguero 24, un aro de la raíz o cualquier otro componente de la pala de rotor que pueda beneficiarse de construirse con piezas pultrusionadas tal como se describe aquí.
La presente descripción también se refiere a procedimientos para fabricar componentes de palas de rotor tal como se describe aquí. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 10, se describe un diagrama de flujo de un procedimiento 100 de fabricación de un componente de pala de rotor de un aerogenerador. En 102, el procedimiento 100 incluye disponer uno o más elementos pultrusionados, presentando cada uno de los elementos pultrusionados uno o más bordes acoplables entre sí. Otra etapa 104 incluye alinear la pluralidad de elementos pultrusionados entre sí a través de los correspondientes bordes acoplables entre sí. El procedimiento 100 también incluye sujetar entre sí los elementos pultrusionados alineados para formar el componente de la pala de rotor (etapa 106).
Esta descripción escrita utiliza ejemplos para describir la invención, incluyendo el modo preferido, y también para permitir que cualquier persona experta en la materia ponga en práctica la invención.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Componente de pala de rotor para un aerogenerador (10), comprendiendo el componente de pala de rotor: una pluralidad de elementos pultrusionados (40) dispuestos en dos o más capas (38), estando formado cada uno de los elementos pultrusionados (40) por una pluralidad de fibras (42) unidas entre sí a través de un material de resina curada (44),
en el que cada uno de la pluralidad de elementos pultrusionados (40) comprende uno o más bordes acoplables entre sí (50), y en el que los elementos pultrusionados (40) adyacentes están alineados e interconectados entre sí a través de correspondientes bordes acoplables entre sí (50), en el que elementos pultrusionados (40) adyacentes de una capa (38) están alineados e interconectados entre sí a través de correspondientes bordes laterales acoplables entre sí, en el que elementos pultrusionados (40) adyacentes de diferentes capas (38) están alineados e interconectados entre sí a través de correspondientes bordes acoplables entre sí superior e inferior, en el que tanto los bordes laterales acoplables entre sí (50) como los bordes acoplables entre sí superior e inferior (50) comprenden una sección transversal con de cualquiera de las siguientes formas: cola de milano, arqueada, en forma de V, en forma de U, o rótula.
2. Componente de pala de rotor (20) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el componente de pala de rotor comprende por lo menos uno de un refuerzo longitudinal (20), un larguero (24), o un aro de la raíz.
3. Componente de pala de rotor (20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que los elementos pultrusionados alineados (40) se unen, además, mediante por lo menos uno de infusión al vacío, un adhesivo, un material previamente impregnado, o un material semi-impregnado.
4. Pala de rotor (16) de un aerogenerador (10), comprendiendo la pala de rotor:
una raíz de pala (30) y una punta de pala (32);
un borde de ataque (26) y un borde de salida (28);
un lado de succión (36) y un lado de presión (34); y,
por lo menos un refuerzo longitudinal (20) configurado en una superficie interna del lado de presión o bien de succión (34, 36) o de ambos, comprendiendo el refuerzo longitudinal (20) un componente de pala de rotor tal como se define en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
5. Procedimiento para fabricar un componente de pala de rotor de un aerogenerador (10) de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el procedimiento:
disponer una pluralidad de elementos pultrusionados (40), comprendiendo cada uno de los elementos pultrusionados (40) uno o más bordes acoplables entre sí (50);
alinear la pluralidad de elementos pultrusionados (40) entre sí a través de correspondientes bordes acoplables entre sí (50); y
sujetar los elementos pultrusionados alineados (40) entre sí para formar el componente de pala de rotor.
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