ES2943154T3 - Procedimientos para fabricar estructuras de pala - Google Patents

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Paul Mathew
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Abstract

Un método para fabricar una estructura de pala incluye proporcionar la estructura de pala que comprende una superficie exterior que tiene un perfil aerodinámico. El método también incluye aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a la superficie exterior de la estructura de la pala para formar una capa de protección exterior en al menos una parte de la estructura de la pala. Además, el método incluye asegurar la una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de la pala. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimientos para fabricar estructuras de pala
Campo
[0001] La presente divulgación se refiere, en general, a estructuras de pala, tales como palas de rotor de turbina eólica, y, más en particular, a un procedimiento para fabricar un revestimiento exterior de una estructura de pala. Antecedentes
[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medioambiente disponibles en la actualidad, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna típicamente incluye una torre, un generador, una caja de engranajes, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor capturan energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos. Las palas de rotor transmiten la energía cinética en forma de energía de rotación para girar un eje que acopla las palas de rotor a una caja de engranajes o, si no se usa una caja de engranajes, directamente al generador. A continuación, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede distribuir en una red de suministro.
[0003] Las palas de rotor, en general, incluyen una concha de lado de succión y una concha de lado de presión típicamente formadas usando procedimientos de moldeo que se unen entre sí en líneas de adhesión ("bond lines”) a lo largo de los bordes de ataque y de salida de la pala. Además, las conchas de presión y de succión son relativamente ligeras y tienen propiedades estructurales (por ejemplo, rigidez, resistencia al pandeo y resistencia) que no están configuradas para soportar los momentos de flexión y otras cargas ejercidas sobre la pala de rotor durante la operación. Por tanto, para incrementar la rigidez, resistencia al pandeo y resistencia de la pala de rotor, el cuerpo de concha típicamente está reforzado usando uno o más componentes estructurales (por ejemplo, tapas de larguero opuestas con un alma a cortante configurada entre ellas) que se acoplan con las superficies interiores de lado de presión y de succión de las mitades de concha.
[0004] Las tapas de larguero se construyen típicamente de diversos materiales, incluyendo, pero sin limitarse a, materiales compuestos laminados de fibra de vidrio y/o materiales compuestos laminados de fibra de carbono. La concha de la pala de rotor, en general, se construye alrededor de las tapas de larguero de la pala apilando capas exteriores e interiores de tejidos de fibra en un molde de concha. A continuación, las capas típicamente se infunden entre sí, por ejemplo, con una resina termoendurecible.
[0005] Los procedimientos para fabricar palas de rotor también pueden incluir formar las palas en segmentos. A continuación, los segmentos de pala se pueden ensamblar para formar la pala de rotor. Por ejemplo, algunas palas de rotor modernas, tales como las palas descritas en la solicitud de patente de EE. UU. n.° 14/753.137 presentada el 29 de junio de 2015 y titulada "Palas de rotor de turbina eólica modulares y procedimientos de ensamblaje de las mismas" ("Modular Wind Turbine Rotor Blades and Methods of Assembling Same"), tienen una configuración de panel modular. Por tanto, los diversos componentes de pala de la pala modular se pueden construir con materiales variables en base a la función y/o localización del componente de pala.
[0006] Las palas de rotor convencionales fabricadas de un determinado material compuesto pueden ser propensas a la degradación medioambiental, tal como erosión, cavitación, etc., debido a la exposición a la lluvia, al hielo, al granizo y al impacto de partículas de arena. Las palas de rotor convencionales también son propensas a daños por impacto de objetos extraños provocados por el impacto de fuentes tales como pájaros, piedras u otros proyectiles.
[0007] Como tal, la presente divulgación está dirigida a procedimientos para fabricar una estructura de pala, tal como una pala de rotor de turbina eólica, que tiene una capa protectora exterior que incluye una aleación con memoria de forma.
[0008] El documento CN 108005848 se refiere a un sistema de pitch inteligente para suprimir la resonancia de las turbinas eólicas en base a la retroalimentación de presión diferencial de SMA.
Breve descripción
[0009] Se expondrán, en parte, aspectos y ventajas de la invención en la siguiente descripción, o pueden ser obvios a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la puesta en práctica de la invención.
[0010] En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para fabricar una estructura de pala de acuerdo con la reivindicación independiente 1. El procedimiento incluye proporcionar la estructura de pala que comprende una superficie exterior que tiene un perfil aerodinámico. El procedimiento también incluye aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a la superficie exterior de la estructura de pala para formar una capa de protección exterior en al menos una parte de la estructura de pala. Además, el procedimiento incluye fijar las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala.
[0011] En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a una estructura de pala de rotor para una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación independiente 10. La estructura de pala de rotor incluye una pala de rotor que tiene una superficie exterior que define un perfil aerodinámico. Además, la estructura de pala de rotor incluye una capa de protección exterior formada por una o más aleaciones con memoria de forma. Por tanto, la capa de protección exterior se adhiere a al menos una parte de la superficie exterior de la pala de rotor para proteger a la superficie exterior de la pala de rotor. Se debe entender que la estructura de pala de rotor puede incluir además cualquiera de los rasgos característicos adicionales como se describe en el presente documento.
[0012] Estos y otros rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de la presente memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.
Breve descripción de los dibujos
[0013] Una divulgación completa y suficiente de la presente invención, incluyendo el mejor modo de la misma, dirigida a un experto en la técnica, se expone en la memoria descriptiva, que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:
la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 2 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una pala de rotor de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 3 ilustra una vista en despiece de la pala de rotor modular de la FIG. 2;
la FIG. 4 ilustra una vista en sección transversal de un modo de realización de un segmento de borde de ataque de una pala de rotor modular de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 5 ilustra una vista en sección transversal de un modo de realización de un segmento de borde de salida de una pala de rotor modular de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 6 ilustra una vista en sección transversal de la pala de rotor modular de la FIG. 2 de acuerdo con la presente divulgación a lo largo de la línea 6-6;
la FIG. 7 ilustra una vista en sección transversal de la pala de rotor modular de la FIG. 2 de acuerdo con la presente divulgación a lo largo de la línea 7-7;
la FIG. 8 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de ejemplo de un procedimiento para fabricar una capa protectora exterior en una estructura de pala de rotor; y
la FIG. 9 ilustra la tasa de erosión de determinados materiales, incluyendo aleaciones con memoria de forma, frente al tiempo de erosión acumulado.
La FIG. 10 ilustra la tasa de estabilidad potencial de corrosión para la aleación con memoria de forma en comparación con Ti-6-4 e IN718.
La FIG. 11 ilustra la resistencia a la erosión bajo el impacto de gotas de agua de aleaciones con memoria de forma.
Descripción detallada de la invención
[0014] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, ilustrándose uno o más de sus ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no limitación de la invención. De hecho, resultará evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, se pueden usar rasgos característicos ilustrados o descritos como parte de un modo de realización con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
[0015] Aunque existen soluciones de diseño mecánicas y materiales para mitigar los daños a las palas de rotor, muchas de estas soluciones son costosas y también adolecen de un rendimiento deficiente cuando se trata de proteger a las estructuras de pala de rotor de los peligros medioambientales. Además, muchas soluciones mecánicas y materiales pueden ser costosas y, por tanto, no son adecuadas para la producción escalable de la estructura de pala de aire de rotor.
[0016] En general, la presente divulgación está dirigida a procedimientos para fabricar estructuras de pala que requieren aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a al menos una parte de la superficie exterior de la estructura de pala. Como tales, las aleaciones con memoria de forma contenidas en un recubrimiento u otra lámina adecuada se pueden usar para evitar o resistir la erosión, la corrosión y la cavitación de la estructura de pala, parcial o bien totalmente. En otras palabras, las aleaciones con memoria de forma se pueden aplicar a un segmento en el sentido de cuerda o para cubrir la dirección completa en el sentido de cuerda, pero solo una parte de la pala de rotor en la dirección radial. En otros modos de realización, solo partes de la pala de rotor se pueden cubrir con las aleaciones con memoria de forma (tales como la parte de punta y/o el borde de ataque).
[0017] Además, las aleaciones con memoria de forma como se describe en el presente documento se pueden usar para proteger a la estructura de pala de daños por objetos extraños, proporcionando al mismo tiempo otros rasgos característicos deseables en la superficie exterior de la estructura de pala. Además, los recubrimientos de aleación con memoria de forma descritos en el presente documento pueden ser más ligeros en peso que el uso de otras capas o recubrimientos convencionales, ofreciendo, por tanto, beneficios de rendimiento potenciados. Por tanto, los procedimientos descritos en el presente documento proporcionan muchas ventajas no presentes en la técnica anterior. Por ejemplo, los procedimientos de la presente divulgación proporcionan la capacidad de proteger fácilmente a la estructura de pala de la degradación medioambiental y de los daños por impacto de objetos extraños. Adicionalmente, los procedimientos proporcionados en el presente documento se pueden proporcionar a costes reducidos y son fácilmente escalables para procedimientos de producción industrial.
[0018] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra un modo de realización de una turbina eólica 10 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 con una góndola 14 montada en la misma. Una pluralidad de palas de rotor 16 están montadas en un buje de rotor 18, que, a su vez, está conectado a una brida principal que gira un eje de rotor principal. Los componentes de generación de potencia y control de turbina eólica están alojados dentro de la góndola 14. La vista de la FIG. 1 se proporciona solo con propósitos ilustrativos para situar la presente invención en un campo de uso de ejemplo. Se debe apreciar que la invención no está limitada a ningún tipo particular de configuración de turbina eólica. Además, la presente invención no se limita al uso con turbinas eólicas, sino que se puede utilizar en cualquier aplicación que tenga cualquier estructura de pala adecuada, tal como, por ejemplo, hélices y palas de motor.
[0019] En referencia ahora a las FIGS. 2 y 3, se ilustran diversas vistas de una pala de rotor 16 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, la pala de rotor 16 ilustrada tiene una configuración segmentada o modular. También se debe entender que la pala de rotor 16 puede incluir cualquier otra configuración adecuada conocida ahora o desarrollada posteriormente en la técnica. Como se muestra, la pala de rotor modular 16 incluye una estructura de pala principal 15 construida, al menos en parte, de un material termoendurecible y/o termoplástico y al menos un segmento de pala 21 configurado con la estructura de pala principal 15. Más específicamente, como se muestra, la pala de rotor 16 incluye una pluralidad de segmentos de pala 21. El/los segmento(s) de pala 21 también se puede(n) construir, al menos en parte, de un material termoendurecible y/o termoplástico.
[0020] Los componentes y/o materiales de pala de rotor termoplásticos como se describe en el presente documento, en general, engloban un polímero o material plástico que sea de naturaleza reversible. Por ejemplo, los materiales termoplásticos típicamente se vuelven maleables o moldeables cuando se calientan a una temperatura determinada y vuelven a un estado más rígido tras enfriarse. Además, los materiales termoplásticos pueden incluir materiales termoplásticos amorfos y/o materiales termoplásticos semicristalinos. Por ejemplo, algunos materiales termoplásticos amorfos pueden incluir, en general, pero no se limitan a, estirenos, vinilos, celulosas, poliésteres, acrílicos, polisulfonas y/o imidas. Más específicamente, los materiales termoplásticos amorfos de ejemplo pueden incluir poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), poli(metacrilato de metilo)(PMMA), poli(tereftalato de etileno) glucolizado (PET-G), policarbonato, poli(acetato de vinilo), poliamida amorfa, poli(cloruros de vinilo)(PVC), poli(cloruro de vinilideno), poliuretano, o cualquier otro material termoplástico amorfo adecuado. Además, los materiales termoplásticos semicristalinos de ejemplo pueden incluir, en general, pero no se limitan a, poliolefinas, poliamidas, fluoropolímero, acrilato de metilo y etilo, poliésteres, policarbonatos y/o acetales. Más específicamente, los materiales termoplásticos semicristalinos de ejemplo pueden incluir poli(tereftalato de butileno) (PBT), poli(tereftalato de etileno) (PET), polipropileno, poli(sulfuro de fenilo), polietileno, poliamida (nailon), polietercetona o cualquier otro material termoplástico semicristalino adecuado. Por ejemplo, en un modo de realización, se puede usar una resina termoplástica semicristalina que se modifica para tener una lenta tasa de cristalización. Además, también se pueden usar mezclas de polímeros amorfos y semicristalinos.
[0021] Además, los componentes y/o materiales termoendurecibles como se describe en el presente documento, en general, engloban un polímero o material plástico que sea de naturaleza no reversible. Por ejemplo, los materiales termoendurecibles, una vez curados, no se pueden remoldear fácilmente o devolver a un estado líquido. Como tal, después de la formación inicial, los materiales termoendurecibles son, en general, resistentes al calor, a la corrosión y/o a la fluencia. Los materiales termoendurecibles de ejemplo pueden incluir, en general, pero no se limitan a, algunos poliésteres, algunos poliuretanos, ésteres, epoxis o cualquier otro material termoendurecible adecuado.
[0022] Además, como se menciona, el material termoplástico y/o termoendurecible como se describe en el presente documento se puede reforzar opcionalmente con un material de fibra, incluyendo pero sin limitarse a, fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de polímero, fibras de madera, fibras de bambú, fibras de cerámica, nanofibras, fibras metálicas, o similares o combinaciones de los mismos. Además, la dirección de las fibras puede incluir dirección multiaxial, unidireccional, biaxial, triaxial o cualquier otra dirección adecuada y/o combinaciones de las mismas. Además, el contenido de fibra puede variar dependiendo de la rigidez requerida en el correspondiente componente de pala, la región o localización del componente de pala en la pala de rotor 16, y/o la soldabilidad deseada del componente.
[0023] Más específicamente, como se muestra, la estructura de pala principal 15 puede incluir uno cualquiera de o una combinación de los siguientes: una sección de raíz de pala 20 preformada, una sección de punta de pala 22 preformada, una o más tapas de larguero 48, 50, 51, 53 continuas, una o más almas a cortante 35 (FIGS. 6-7), un componente estructural 52 adicional fijado a la sección de raíz de pala 20 y/o cualquier otro componente estructural adecuado de la pala de rotor 16. Además, la sección de raíz de pala 20 está configurada para montarse o de otro modo fijarse al rotor 18 (FIG. 1). Además, como se muestra en la FIG. 2, la pala de rotor 16 define una envergadura 23 que es igual a la longitud total entre la sección de raíz de pala 20 y la sección de punta de pala 22. Como se muestra en las FIGS. 2 y 6, la pala de rotor 16 también define una cuerda 25 que es igual a la longitud total entre un borde de ataque 24 de la pala de rotor 16 y un borde de salida 26 de la pala de rotor 16. Como se entiende, en general, la cuerda 25 puede variar, en general, en longitud con respecto a la envergadura 23 a medida que la pala de rotor 16 se extiende desde la sección de raíz de pala 20 hasta la sección de punta de pala 22.
[0024] En referencia, en particular, a las FIGS. 2-4, cualquier número de segmentos de pala 21 o paneles que tengan cualquier tamaño y/o conformación adecuados se pueden disponer, en general, entre la sección de raíz de pala 20 y la sección de punta de pala 22 a lo largo de un eje longitudinal 27 en una dirección, en general, a lo largo de la envergadura. Por tanto, los segmentos de pala 21 sirven, en general, de carcasa/cubierta exterior de la pala de rotor 16 y pueden definir un perfil sustancialmente aerodinámico, tal como definiendo una sección transversal conformada con perfil alar curva o simétrica. En modos de realización adicionales, se debe entender que la parte del segmento de pala de la pala de rotor 16 puede incluir cualquier combinación de los segmentos descritos en el presente documento y no están limitados al modo de realización como se representa. Además, los paneles de pala 21 pueden incluir uno cualquiera de o una combinación de los siguientes: segmentos de lado de presión y/o de succión 44, 46 (FIGS. 2 y 3), segmentos de borde de ataque y/o de salida 40, 42 (FIGS. 2-6), un segmento no articulado, un segmento articulado individual, un segmento de pala multiarticulado, un segmento de pala conformado en J o similares.
[0025] Más específicamente, como se muestra en la FIG. 4, los segmentos de borde de ataque 40 pueden tener una superficie de lado de presión delantera 28 y una superficie de lado de succión delantera 30. De forma similar, como se muestra en la FIG. 5, cada uno de los segmentos de borde de salida 42 puede tener una superficie de lado de presión posterior 32 y una superficie de lado de succión posterior 34. Por tanto, la superficie de lado de presión delantera 28 del segmento de borde de ataque 40 y la superficie de lado de presión posterior 32 del segmento de borde de salida 42, en general, definen una superficie de lado de presión de la pala de rotor 16. De forma similar, la superficie de lado de succión delantera 30 del segmento de borde de ataque 40 y la superficie de lado de succión posterior 34 del segmento de borde de salida 42, en general, definen una superficie de lado de succión de la pala de rotor 16. Además, como se muestra, en particular, en la FIG. 6, el/los segmento(s) de borde de ataque 40 y el/los segmento(s) de borde de salida 42 se puede(n) unir en una juntura de lado de presión 36 y una juntura de lado de succión 38. Por ejemplo, los segmentos de pala 40, 42 se pueden configurar para superponerse en la juntura de lado de presión 36 y/o la juntura de lado de succión 38. Además, como se muestra en la FIG. 2, los segmentos de pala 21 contiguos se pueden configurar para superponerse en una juntura 54. Por tanto, cuando los segmentos de pala 21 se construyen al menos parcialmente de un material termoplástico, los segmentos de pala 21 contiguos se pueden soldar entre sí a lo largo de las junturas 36, 38, 54, lo que se analizará con más detalle en el presente documento. De forma alternativa, en determinados modos de realización, los diversos segmentos de la pala de rotor 16 se pueden fijarse entre sí por medio de un adhesivo (o sujeciones mecánicas) configurado entre los segmentos de borde de ataque y de salida 40, 42 superpuestos y/o los segmentos de borde de ataque o de salida 40, 42 contiguos superpuestos.
[0026] En modos de realización específicos, como se muestra en las FIGS. 2-3 y 6-7, la sección de raíz de pala 20 puede incluir una o más tapas de larguero 48, 50 que se extienden longitudinalmente infundidas con la misma. Por ejemplo, la sección de raíz de pala 20 se puede configurar de acuerdo con la solicitud de EE. UU. número 14/753.155 presentada el 29 de junio de 2015 titulada "Sección de raíz de pala para una pala de rotor modular y procedimiento de fabricación de la misma" ("Blade Root Section for a Modular Rotor Blade and Method of Manufacturing Same").
[0027] De forma similar, la sección de punta de pala 22 puede incluir una o más tapas de larguero 51, 53 que se extienden longitudinalmente infundidas con la misma. Más específicamente, como se muestra, las tapas de larguero 48, 50, 51, 53 se pueden configurar para acoplarse contra superficies interiores opuestas de los segmentos de pala 21 de la pala de rotor 16. Además, las tapas de larguero 48, 50 de raíz de pala se pueden configurar para alinearse con las tapas de larguero 51, 53 de punta de pala. Por tanto, las tapas de larguero 48, 50, 51, 53 se pueden diseñar, en general, para controlar las tensiones de flexión y/u otras cargas que actúan sobre la pala de rotor 16 en una dirección, en general, a lo largo de la envergadura (una dirección paralela a la envergadura 23 de la pala de rotor 16) durante la operación de una turbina eólica 10. Además, las tapas de larguero 48, 50, 51, 53 se pueden diseñar para soportar la compresión a lo largo de la envergadura que se produce durante la operación de la turbina eólica 10. Además, la(s) tapa(s) de larguero 48, 50, 51, 53 se puede(n) configurar para extenderse desde la sección de raíz de pala 20 hasta la sección de punta de pala 22 o una parte de la misma. Por tanto, en determinados modos de realización, la sección de raíz de pala 20 y la sección de punta de pala 22 se pueden unir entre sí por medio de sus respectivas tapas de larguero 48, 50, 51, 53.
[0028] Además, las tapas de larguero 48, 50, 51, 53 se pueden construir de cualquier material adecuado, por ejemplo, un material termoplástico o termoendurecible o combinaciones de los mismos. Además, las tapas de larguero 48, 50, 51, 53 se pueden pultruir a partir de resinas termoplásticas o termoendurecibles. Como se usa en el presente documento, los términos "pultruido", "pultrusiones" o similares, en general, engloban materiales reforzados (por ejemplo, fibras o hebras tejidas o trenzadas) que se impregnan con una resina y se estiran a través de un troquel estacionario de modo que la resina se cure o se someta a polimerización. Como tal, el procedimiento de fabricación de miembros pultruidos típicamente se caracteriza por un procedimiento continuo de materiales compuestos que produce piezas compuestas que tienen una sección transversal constante. Por tanto, los materiales compuestos precurados pueden incluir pultrusiones construidas de materiales termoendurecibles o termoplásticos reforzados. Además, las tapas de larguero 48, 50, 51, 53 pueden estar formadas por los mismos materiales compuestos precurados o diferentes materiales compuestos precurados. Además, los componentes pultruidos se pueden producir a partir de fibras continuas, que, en general, engloban haces largos y estrechos de fibras que no se combinan hasta que se unen por una resina curada.
[0029] En referencia a las FIGS. 6-7, se pueden configurar una o más almas a cortante 35 entre las una o más tapas de larguero 48, 50, 51, 53. Más en particular, el/las alma(s) a cortante 35 se puede(n) configurar para incrementar la rigidez en la sección de raíz de pala 20 y/o en la sección de punta de pala 22. Además, el/las alma(s) a cortante 35 se puede(n) configurar para cerrar la sección de raíz de pala 20.
[0030] Además, como se muestra en las FIGS. 2 y 3, el componente estructural 52 adicional se puede fijar a la sección de raíz de pala 20 y extender en una dirección, en general, a lo largo de la envergadura para proporcionar otro soporte a la pala de rotor 16. Por ejemplo, el componente estructural 52 se puede configurar de acuerdo con la solicitud de EE. UU. número 14/753.150 presentada el 29 de junio de 2015 titulada "Componente estructural para una pala de rotor modular" ("Structural Component for a Modular Rotor Blade"). Más específicamente, el componente estructural 52 se puede extender cualquier distancia adecuada entre la sección de raíz de pala 20 y la sección de punta de pala 22. Por tanto, el componente estructural 52 está configurado para proporcionar soporte estructural adicional para la pala de rotor 16, así como una estructura de montaje opcional para los diversos segmentos de pala 21 como se describe en el presente documento. Por ejemplo, en determinados modos de realización, el componente estructural 52 se puede fijar a la sección de raíz de pala 20 y se puede extender una distancia a lo largo de la envergadura predeterminada de modo que los segmentos de borde de ataque y/o de salida 40, 42 se puedan montar en el mismo.
[0031] En general, los segmentos de pala pueden comprender una capa exterior o un recubrimiento exterior que se puede formar a partir de cualquier aleación con memoria de forma adecuada que permita que los segmentos de pala operen como se describe en el presente documento. Sin embargo, en un modo de realización particular, la aleación con memoria de forma incluye una aleación con memoria de forma a base de metal. Por ejemplo, una aleación con memoria de forma a base de metal adecuada puede incluir, pero no se limita a, una aleación de níquel-titanio (NiTi), una aleación a base de NiTi (por ejemplo, una aleación de níquel-titanio-hafnio (NiTiHf), una aleación de níquel-titaniovanadio (NiTiVd), una aleación de níquel-titanio-paladio (NiTiPd), una de níquel-titanio-cobre (NiTiCu), una aleación de níquel-titanio-niobio (NiTiNb)), una aleación de níquel-aluminio-cobre (Ni-Al-Cu) y otras aleaciones no basadas en níquel, tales como aleaciones de titanio-niobio (Ti-Nb), aleaciones de cobre-cinc-aluminio (CuZnAl) y aleaciones de cobre-aluminio-berilio (CuAlBe).
[0032] Las aleaciones con memoria de forma típicamente existen en varias fases diferentes dependientes de la temperatura. Dos de estas fases son las fases de martensita y austenita. En general, la fase de martensita, en general, se refiere a la fase de menor temperatura más deformable, mientras que la fase de austenita, en general, se refiere a la fase de mayor temperatura más rígida. En un modo de realización, la aleación con memoria de forma comprende una composición seleccionada para presentar una fase martensítica a una temperatura medioambiental en la que se dispone u opera la estructura de pala de rotor. En otro modo de realización, la aleación con memoria de forma comprende una composición seleccionada para presentar una fase de austenita a una temperatura medioambiental en la que se dispone u opera la estructura de pala de rotor y una fase de martensita a una temperatura aproximadamente menor que la temperatura medioambiental o la temperatura operativa. En general, las aleaciones con memoria de forma son blandas y fácilmente deformables en su fase martensítica y son duras y/o rígidas en su fase austenítica. Estas aleaciones con memoria de forma presentan un comportamiento no lineal bajo tensión mecánica debido a un cambio de fase reversible de austenita/martensita que tiene lugar dentro de una red cristalina del material de aleación con memoria de forma. En algunos modos de realización, las aleaciones con memoria de forma pueden ofrecer una protección potenciada incluso cuando no se someten a ninguna transformación inducida por tensión de austenita a martensita. Por ejemplo, en determinados modos de realización, la aleación con memoria de forma se puede someter a un cambio de martensita a martensita.
[0033] Se debe apreciar que, en varios modos de realización, la aleación con memoria de forma utilizada de acuerdo con aspectos de la presente materia se puede seleccionar de modo que la estructura de pala de rotor se someta a una deformación recuperable cuando la estructura de pala de rotor se expone a determinadas condiciones medioambientales. La aleación con memoria de forma se puede someter a una gran deformación (por ejemplo, para NiTi típicamente en el intervalo de un 2 % a un 4 %), permitiendo, de este modo, que la aleación con memoria de forma se deforme y proporcione una rigidez reducida. La aleación con memoria de forma se puede someter a una transformación de fase sólido-sólido de austenita a martensita. Adicionalmente, la aleación con memoria de forma puede recuperar toda la deformación una vez que la carga desciende por debajo de un segundo umbral de carga, permitiendo, de este modo, que la aleación con memoria de forma vuelva a su forma inicial y proporcione una rigidez incrementada. A este respecto, la aleación con memoria de forma se puede someter a una transformación de martensita a austenita. Se debe apreciar que las propiedades del material de la aleación con memoria de forma usada en el presente documento se pueden seleccionar de modo que el primer umbral de carga sea menor, igual o mayor que el umbral de carga predeterminado, dependiendo del rendimiento deseado de la estructura de pala.
[0034] Además, la deformación de la aleación con memoria de forma puede proporcionar una amortiguación muy alta. La composición de aleación con memoria de forma puede proporcionar amortiguación para la pala de rotor en diversas condiciones de carga. Por ejemplo, el recubrimiento de aleación con memoria de forma se puede configurar para deformarse de un estado normal a un estado deformado al experimentar una presión mayor a la normal debido a la aplicación de una alta carga, tal como en el caso de exposición a una condición medioambiental, tal como impacto de objetos extraños. Dependiendo de la posición, el tamaño, la forma, el trabajo previo, o combinaciones de los mismos, el recubrimiento de aleación con memoria de forma se puede configurar para estirarse en diversos grados y en las direcciones requeridas. En algunos modos de realización, el recubrimiento de aleación con memoria de forma proporciona rigidez variable, alta amortiguación, o tanto rigidez variable como alta amortiguación a la pala.
[0035] La amortiguación obtenida por la presente aleación con memoria de forma es, en general, mucho mayor en comparación con los amortiguadores tradicionales, ya que la amortiguación obtenida por la pala con aleación con memoria de forma es el resultado de la deformación de la aleación con memoria de forma a través de una transición de fase. Esta deformación de la aleación con memoria de forma puede proporcionar altas fuerzas de amortiguación al absorber el exceso de carga que se les transfiere. Además, la aleación con memoria de forma puede proporcionar una alta rigidez de soporte en condiciones de carga baja o reducida y una baja rigidez de soporte en condiciones de carga alta o incrementada. Dichas propiedades adecuadas de la aleación con memoria de forma permiten un movimiento relativo recuperable del recubrimiento de aleación con memoria de forma con alta amortiguación. Esto ayuda a mantener la estructura de pala durante la exposición de la pala a circunstancias medioambientales, tales como la erosión, la corrosión o el impacto de objetos extraños.
[0036] En referencia ahora a la FIG. 8, la presente divulgación está dirigida a procedimientos (800) para fabricar una capa de protección exterior de una estructura de pala de rotor. En (801) el procedimiento incluye proporcionar una estructura de pala de rotor.
[0037] En (802), el procedimiento comprende aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a la superficie exterior de la estructura de pala de rotor. En algunos modos de realización, la aleación con memoria de forma se puede aplicar a determinadas secciones de la estructura de pala de rotor. Por ejemplo, en algunos modos de realización, la aleación con memoria de forma se puede aplicar a los segmentos de pala 21. Todavía en otros determinados modos de realización, la aleación con memoria de forma se puede aplicar a la sección de punta de pala 22 formada. Todavía en determinados modos de realización, la aleación con memoria de forma se puede aplicar a partes de los segmentos de borde de ataque o de salida 40, 42.
[0038] En algunos modos de realización, se pueden aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala de rotor recubriendo la superficie exterior de la estructura de pala de rotor con un recubrimiento que comprende una o más aleaciones con memoria de forma. En determinados modos de realización, solo determinadas secciones de la estructura de pala de rotor se pueden recubrir con una composición de aleación con memoria de forma. Por ejemplo, en algunos modos de realización, los segmentos de pala 21 se pueden recubrir con un recubrimiento que contiene una o más aleaciones con memoria de forma. Todavía en otros determinados modos de realización, la sección de punta de pala 22 formada se puede recubrir con un recubrimiento que contiene una o más aleaciones con memoria de forma. Todavía en determinados modos de realización, los segmentos de borde de ataque o de salida 40, 42 se pueden recubrir con una composición que contiene una o más aleaciones con memoria de forma.
[0039] En algunos modos de realización, la aplicación de la composición de aleación con memoria de forma sobre la estructura de pala proporciona resistencia a la erosión por líquidos y partículas. Por ejemplo, durante la operación de la estructura de pala de rotor, las partículas y/o las gotas de líquido impactan sobre las superficies de diversos componentes y pueden erosionar la superficie. Sin embargo, al recubrir estas superficies con la aleación con memoria de forma como se proporciona en el presente documento, la deformación provocada por el impacto de partículas o gotas de líquido se puede absorber por el recubrimiento de aleación con memoria de forma, minimizando, de este modo, la erosión y/o el desgaste. La deformación provocada por las partículas o gotas de líquido que impactan se puede eliminar, a continuación, alterando la fase de transformación de la aleación con memoria de forma para restaurar la superficie a su forma original, es decir, sin deformación.
[0040] Las una o más aleaciones con memoria de forma se pueden aplicar a la estructura de pala de rotor por medio de cualquier procedimiento de aplicación adecuado en la técnica. En determinados modos de realización, las una o más aleaciones con memoria de forma pueden estar contenidas en una suspensión líquida que se recubre por pulverización sobre la estructura de pala de rotor. En otros modos de realización, la aleación con memoria de forma está contenida dentro de una composición líquida que comprende una suspensión de un portador adecuado y una o más aleaciones con memoria de forma. En determinados modos de realización, las una o más aleaciones con memoria de forma pueden estar contenidas dentro de una composición en polvo. El recubrimiento de aleación con memoria de forma es una composición en polvo. Las una o más aleaciones con memoria de forma pueden estar presentes en una composición que puede incluir aditivos y cargas adicionales adecuados.
[0041] El grosor de la aleación con memoria de forma se elige para proporcionar resiliencia y flexibilidad a aquellas superficies propensas a la erosión por partículas y/o líquidos. Como tal, el grosor del recubrimiento de aleación con memoria de forma también debe ser de un grosor eficaz para proporcionar el efecto de memoria de forma deseado. Los grosores adecuados son de aproximadamente 0,5 milésimas de pulgada a aproximadamente 2 pulgadas, siendo más preferentes de aproximadamente 200 milésimas de pulgada a aproximadamente 1 pulgada.
[0042] En algunos modos de realización, las una o más aleaciones con memoria de forma también pueden incluir materiales compuestos de aleación con memoria de forma, en los que los materiales compuestos basados en aleación con memoria de forma comprenden una matriz de aleación con memoria de forma y al menos una fase dura de partículas. La fase dura de partículas comprende boruros, óxidos, nitruros, carburos o combinaciones que comprenden al menos una de las partículas anteriores. De forma alternativa, los materiales compuestos de aleación con memoria de forma comprenden una estructura multicapa de la aleación con memoria de forma que se alterna con una capa metálica o cerámica con el mismo grosor o diferente que la capa de aleación con memoria de forma. La capa cerámica se selecciona preferentemente del grupo que consiste en boruros, óxidos, nitruros, carburos, TiN, Y2O3 y TaC. La capa metálica se selecciona preferentemente del grupo que consiste en Ti, Ni, Co, aleaciones a base de Ti, aleaciones a base de Ni, aleaciones a base de Co, aleaciones a base de Fe y similares. Aún en otro modo de realización alternativo, el material compuesto puede incluir además materiales de grano ultrafino, tales como los que se pueden producir por procedimientos de deformación plástica severa, en general, conocidos por los expertos en la técnica. Por ejemplo, los procedimientos de deformación plástica severa adecuados para obtener los tamaños de grano deseados incluyen, pero no se pretende que se limiten a, molienda de bolas, deformación por impacto, chorreado con granalla, procesamiento por torsión a alta presión y similares. Los tamaños de grano preferentes son menores de 2 micrómetros, siendo más preferentes los tamaños de grano menores de 1 micrómetro, e incluso más preferentes los tamaños de grano menores de 100 nanómetros. Los materiales de grano ultrafino adecuados se caracterizan por alta dureza, ausencia de recristalización, lento crecimiento de grano tras el recocido y baja densidad de dislocaciones en el interior de los granos. Sin querer ceñirse a la teoría, se cree que los materiales de grano ultrafino en el material compuesto evitarán y/o desviarán la propagación de grietas dentro del recubrimiento.
[0043] En (804) el procedimiento comprende fijar las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala de rotor. En algunos modos de realización, las una o más aleaciones con memoria de forma se pueden fijar a la estructura de pala de rotor por medio de un adhesivo o cinta. Los adhesivos adecuados incluyen epoxi, poliéster, éster vinílico, uretanos y siliconas.
[0044] En algunos modos de realización, el recubrimiento que contiene una o más aleaciones con memoria de forma se puede unir o unir conjuntamente a la estructura de pala de rotor por medio de cualquier procedimiento de adhesión (“bonding”) o de co-adhesión ("co-bonding”) adecuado. El recubrimiento que contiene la aleación con memoria de forma se puede fijar a la pala de rotor por medio de adhesión metalúrgica. El procedimiento específico de adhesión metalúrgica dependerá de la composición de aleación con memoria de forma, la composición de aleación de la pala de rotor, así como de otros parámetros. Los procedimientos adecuados incluyen, pero no se pretende que se limiten a soldadura fuerte, extrusión, adhesión por explosión (“explosion bonding”), prensado isotáctico en caliente (HIP), revestimiento, procedimientos láser, procedimientos de arco de transferencia de plasma, deposición por plasma iónico, forjado, soldadura por fusión, pulverización de plasma al vacío, pulverización térmica, soldadura por fricción-agitación, y similares. Opcionalmente, el recubrimiento de aleación con memoria de forma se puede formar en un elemento insertable y/o pieza complementaria, que, a continuación, se puede fijar al componente de turbina. Por ejemplo, en determinados modos de realización, se coloca en el molde una lámina que contiene una o más aleaciones con memoria de forma y/o una hoja, seguido de moldeo por infusión de resina asistido por vacío (VARIM) de pala eólica estándar para tener una adhesión conjunta de la aleación con memoria de forma sobre la estructura de pala, tal como en el borde de ataque de la pala eólica.
[0045] En algunos modos de realización, el recubrimiento que contiene una o más aleaciones con memoria de forma se puede fijar a la estructura de pala de rotor por medio de un procedimiento de laminación adecuado que incluya un procedimiento de laminación por moldeo por infusión de resina asistido por vacío.
[0046] En algunos modos de realización, fijar las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala de rotor puede incluir cualquiera de los siguientes procedimientos o combinaciones de procedimientos: soldadura fuerte, soldadura, pulverización térmica, consolidación por láser, arco de transferencia de plasma, laminación en caliente, laminación en frío, deposición por plasma iónico, forjado, soldadura por explosión, soldadura por fusión, soldadura por fricción-agitación y revestimiento.
[0047] En algunos modos de realización, un recubrimiento de aleación con memoria de forma formado con vapor se puede depositar directamente desde una fase gaseosa sobre una superficie de la estructura de pala de rotor para formar un recubrimiento integral.
[0048] Opcionalmente, en determinados modos de realización, el procedimiento incluye aplicar una lámina sobre la superficie exterior de la estructura de pala de rotor antes de recubrir la estructura de pala de rotor con la composición de aleación con memoria de forma divulgada en el presente documento. De hecho, en este modo de realización, la lámina puede incluir una lámina de metal formada por cualquier metal adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, níquel, titanio, acero, aluminio y aleaciones de los mismos. En algunos modos de realización, la lámina de metal tiene un grosor que varía de aproximadamente 0,25 mm a aproximadamente 2 mm.
[0049] Aunque determinados modos de realización de ejemplo descritos en el presente documento se pueden dirigir al uso de la estructura de pala en una turbina eólica, se debe entender que las palas divulgadas en el presente documento se pueden usar en cualquier aplicación de pala adecuada además de las turbinas eólicas, tales como palas de motor de aviación, palas de motor de turbina de gas, palas de motor de turbina de potencia, palas de hélice y/o palas de turbina hidráulica. La estructura de pala divulgada en el presente documento se puede usar en hélices para helicópteros o aplicaciones similares, así como marinas.
[0050] En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un motor de turbina de gas. El motor de turbina de gas incluye un rotor de tambor rotatorio que tiene una pluralidad de palas fijadas al mismo. En determinados modos de realización, la pluralidad de palas puede comprender las palas divulgadas en el presente documento que se han recubierto con la composición de aleación con memoria de forma de acuerdo con aspectos de ejemplo de la presente divulgación. Las palas se extienden radialmente hacia adentro del rotor de tambor rotatorio. El motor de turbina de gas también incluye un bastidor de soporte montado radialmente hacia afuera del rotor de tambor rotatorio y un sistema de soporte de rotor que tiene un conjunto de rodamiento situado entre el rotor de tambor rotatorio y el bastidor de soporte.
Ejemplo 1
[0051] El ejemplo 1 ilustra la protección del borde de ataque proporcionada por un recubrimiento que contiene una o más aleaciones con memoria de forma de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
[0052] Como se muestra en la FIG. 9, NiTi presentó una excelente resistencia a la erosión en comparación con otros materiales sometidos a prueba, es decir, Stellite. Además, la composición de NiTi es mucho más ligera en comparación con los recubrimientos que contienen SS-316, Stellite y Ni, lo que puede proporcionar beneficios añadidos, tales como rendimiento incrementado y ahorros de costes. Adicionalmente, las composiciones que contienen NiTi proporcionan funcionalidad de amortiguación adicional para una vida útil y rendimiento mejorados de la estructura de pala de rotor.
[0053] La FIG. 10 ilustra la tasa de estabilidad potencial de corrosión para la aleación con memoria de forma en comparación con Ti-6-4 e IN718. El medio de corrosión fue agua de mar con un pH de 7 y el electrodo de referencia fue calomelano saturado. Como se muestra, la memoria de forma permite que la tasa de estabilidad potencial sea similar a Ti-6-4.
[0054] La FIG. 11 ilustra la resistencia a la erosión bajo el impacto de gotas de agua del acero inoxidable, titanio, Iconel y la aleación con memoria de forma. Como se muestra, la aleación con memoria de forma tiene una resistencia a la erosión significativamente mayor.
En modos de realización, la estructura de pala de rotor presenta las una o más aleaciones con memoria de forma que comprenden una aleación de níquel-titanio (NiTi).
En modos de realización, la estructura de pala de rotor presenta la capa de protección exterior adherida a la superficie exterior de la pala de rotor con adhesivo.
En modos de realización, la estructura de pala de rotor presenta el adhesivo que comprende epoxi, poliéster, éster vinílico, uretanos, siliconas y combinaciones de los mismos.
En modos de realización, la estructura de pala de rotor presenta la capa de protección exterior adherida a la superficie exterior de la pala de rotor por medio de un procedimiento de curado.
[0055] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el mejor modo, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y realizar cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la técnica. Se pretende que dichos otros ejemplos estén dentro del alcance de las reivindicaciones si incluyen elementos estructurales que no difieren del lenguaje literal de las reivindicaciones o si incluyen elementos estructurales con diferencias insustanciales del lenguaje literal de las reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para fabricar una estructura de pala, el procedimiento comprendiendo:
proporcionar la estructura de pala que comprende una superficie exterior que tiene un perfil aerodinámico; aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a la superficie exterior de la estructura de pala para formar una capa de protección exterior en al menos una parte de la estructura de pala;
fijar las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala;
en el que aplicar las una o más aleaciones con memoria de forma comprende recubrir la superficie exterior de la estructura de pala con un recubrimiento que comprende las una o más aleaciones con memoria de forma; y
en el que unir las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala comprende co-adherir las una o más aleaciones con memoria de forma a la pala de rotor.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que las una o más aleaciones con memoria de forma comprenden una aleación de níquel-titanio (NiTi), una aleación a base de NiTi (por ejemplo, una aleación de níquel-titaniohafnio (NiTiHf), una aleación de níquel-titanio-vanadio (NiTiVd), una aleación de níquel-titanio-paladio (NiTiPd), una de níquel-titanio-cobre (NiTiCu), una aleación de níquel-titanio-niobio (NiTiNb)), una aleación de níquelaluminio-cobre (Ni-Al-Cu) y otras aleaciones no basadas en níquel, tales como aleaciones de titanio-niobio (Ti-Nb), aleaciones de cobre-cinc-aluminio (CuZnAl) y aleaciones de cobre-aluminio-berilio (CuAlBe).
3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que las una o más aleaciones con memoria de forma comprenden la aleación de níquel-titanio (NiTi).
4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además: aplicar una lámina sobre la superficie exterior de la estructura de pala antes de aplicar las una o más aleaciones con memoria de forma.
5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que la lámina comprende níquel, titanio, aluminio, acero y aleaciones de los mismos.
6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que co-adherir comprende moldeo por infusión de resina asistido por vacío.
7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que unir las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala comprende curar las una o más aleaciones con memoria de forma con respecto a la estructura de pala durante un procedimiento de laminación.
8. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la estructura de pala es parte de una turbina eólica.
9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que aplicar una o más aleaciones con memoria de forma a la superficie exterior de la estructura de pala para formar una capa de protección exterior en la estructura de pala comprende aplicar una o más aleaciones con memoria de forma al borde de ataque de la superficie exterior de la estructura de pala.
10. Una estructura de pala de rotor para una turbina eólica, comprendiendo la estructura de pala de rotor:
una pala de rotor que comprende una superficie exterior que define un perfil aerodinámico;
una capa de protección exterior formada por una o más aleaciones con memoria de forma, en la que la capa de protección exterior está adherida a al menos una parte de la superficie exterior de la pala de rotor para proteger a la superficie exterior de la pala de rotor;
caracterizada por que la aplicación de las una o más aleaciones con memoria de forma comprende recubrir la superficie exterior de la estructura de pala con un recubrimiento que comprende las una o más aleaciones con memoria de forma; y
unir las una o más aleaciones con memoria de forma a la estructura de pala comprende co-adherir las una o más aleaciones con memoria de forma a la pala de rotor.
11. La estructura de pala de rotor de la reivindicación 10, en la que las una o más aleaciones con memoria de forma comprenden una aleación de níquel-titanio (NiTi), una aleación a base de NiTi (por ejemplo, una aleación de níquel-titanio-hafnio (NiTiHf), una aleación de níquel-titanio-vanadio (NiTiVd), una aleación de níquel-titaniopaladio (NiTiPd), una de níquel-titanio-cobre (NiTiCu), una aleación de níquel-titanio-niobio (NiTiNb)), una aleación de níquel-aluminio-cobre (Ni-Al-Cu) y otras aleaciones no basadas en níquel, tales como aleaciones de titanio-niobio (Ti-Nb), aleaciones de cobre-cinc-aluminio (CuZnAl) y aleaciones de cobre-aluminio-berilio (CuAlBe).
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