WO2000073651A1 - Pala para aerogenerador - Google Patents

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Manuel Torres Martinez
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Torres Martinez M
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Definitions

  • the energy obtained is a function of the scanning surface of the blades of the rotor that receives the action of the wind, so that until now the largest wind turbines made are 800 to 1,000 Kilo years, which is achieved with shovels of approximately 30 meters in length, that is to say with a surface swept against the wind of the order of 60 meters in diameter.
  • the largest wind turbines made are 800 to 1,000 Kilo years, which is achieved with shovels of approximately 30 meters in length, that is to say with a surface swept against the wind of the order of 60 meters in diameter.
  • Wind turbines are usually mounted in mountain areas, where the difficulty of access further aggravates the transport problem.
  • a wind turbine blade is proposed, whose constructive embodiment satisfactorily solves the aforementioned problems, allowing the construction of large length blades with adequate resistance for the stresses that must be supported and also with a composition that It allows the division into parts for normal road transport.
  • This blade object of the invention is constituted by a set of attachable longitudinal sections, each of which comprises a core formed by a carbon fiber tube, with steel bushings inserted at the ends for the couplings, integrally incorporated over said tube a series of transverse ribs of carbon fiber or fiberglass, while on the set there are covers of fiberglass or carbon fiber, which are joined by gluing together, on the ribs and on the tube, forming a unitary structural assembly.
  • shovels can be formed of any longitudinal dimension.
  • the composition of the end zone adjacent to the base with an independent lateral bevel is provided, which can be decoupled from the rest for transport.
  • the shape of the ribs is according to the aerodynamic profile that corresponds to the cross section of the blades, establishing the union of said ribs with the longitudinal tube at a point that corresponds to 25% of their length, that is, at the point which coincides with the center of gravity of the aerodynamic profile of the aforementioned ribs, so that they do not create torsion on the tube in the work behavior of the blades.
  • this blade object of the invention is certainly very advantageous features, which give it a life of its own and preferred character with respect to conventional blades used so far in wind turbines.
  • Figure 1 represents in perspective a wind turbine blade according to the object of the invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective of The same front shovel.
  • Figure 3 is a perspective of the longitudinal tube of the blade structure with two enlarged details in section corresponding to the base end and to the attachable ends of the component sections.
  • Figure 4 is a perspective of the aforementioned longitudinal tube of the blade with the transverse ribs incorporated, the configuration of a rib having been extracted in greater detail.
  • Figure 5 is a side view of a two-section blade according to the object of the invention, an enlarged detail having been extracted in section of the coupling area of the sections.
  • Figure 6 is a side view of the same front blade with the sections joined, with an enlarged sectional detail of the junction area of the sections and in turn a more enlarged detail of the correlative joint part of the covers.
  • Figure 7 is an enlarged view of the cross section of the blade according to section VII-VII indicated in the previous figure.
  • Figure 8 shows in perspective a three-section blade according to the object of the invention.
  • Figure 9 is a perspective view of the same blade as in the previous figure, with the separate component sections.
  • Figure 10 shows in perspective a shovel of three longitudinal sections and a fourth lateral section in the part corresponding to the widest end zone.
  • Figure 11 is a perspective of the same blade of the previous figure, with the component sections separated.
  • the object of the invention relates to a shovel for wind turbine, which is formed by composition by one, two or more sections (1) successively attachable.
  • Each of said sections (1) components are structured with a soul formed by a longitudinal tube
  • transverse ribs (5) made of carbon fiber or glass fiber, which are correlative to the aerodynamic profile of the blade.
  • Said ribs (5) are arranged with respect to the tube (2) in such a way that it passes through them through a point corresponding to 25% of their length, whereby these ribs (5) are mounted precisely in subjection by the point that coincides with the center of gravity of the aerodynamic profile that they configure.
  • housings (6) made of fiberglass or carbon fiber, which are bonded together, establishing themselves glued to the ribs (5) and the tube (2), as seen in Figure 7.
  • the housings (6) corresponding to the sides determine a conformation (7) correspondingly with the curvature of the tube contour (2), being defined in said conformation (7) grooves (8) of according to the position and the thickness of the ribs (5), so that in the assembly said lateral housings (6) fit being attached to the tube (2), at the same time as they are supported on the ribs (5).
  • each section (1) result according to a unitary structural assembly.
  • the sections thus formed are joined for the composition of the blade, by means of moorings (9) between the droppers (3) included in the tube sections (2), establishing in turn the connection between the respective housings (6) by means of corresponding ones moorings (10) with respect to a metal rib (11) that is included in the coupling, bolting between the bushings (3), as seen in figures 5 and 6.
  • the blade assembly thus results in a large soul rigidity, formed by the tube (2) of carbon fiber and with an elastic cover, formed by the housings (6) of fiberglass, whose constructive embodiment is also provided by means of a curb at + 45 °, which is obtained a maximum stretch capacity of the formed material.
  • the composition in sections (1) also allows a division of the blade into parts dimensionally suitable for normal road transport, so that, for example, for lengths between 35 and 50 meters the composition is made in two sections (1), as the embodiment of figures 1 to 6, while for lengths between 50 and 65 meters the composition is made in at least three sections (1), as the embodiment of figures 8 and 9.
  • the width of the construction dimension is the blade results in the extreme area of the base of a dimension that exceeds the permissible measures for normal road transport, said wider part is in turn provided with an independent lateral section (12), according to figures 10 and 11 , so that for the transport said section (12) can also be decoupled, so that all the parts are within the transport measures under normal conditions.
  • the blade is topped at the end with a metal tip (13), attached to which a conductive cable (14) is included inside the tube (2), so that the metal tip (13) acts as a lightning sensor , which are discharged through the cable (14) to a ground discharge manifold.
  • a metal profile (15) which is attached to the metal tip (13), so that said profile (15) serves to discharge static electricity, in turn lightning collector, through the shed through the metal tip (13) and the cable (14) to the ground discharge manifold.

Abstract

Pala para aerogenerador, que se forma por composición de uno, dos o más tramos longitudinales, cada uno de los cuales comprende un alma formada por un tubo longitudinal (2) de fibra de carbono, sobre el cual se incorporan solidariamente una serie de costillas transversales (5) de fibra de carbono o fibra de vidrio, en tanto que sobre el conjunto se dispone una cubierta formada por carcasas (6) de fibra de vidrio o fibra de carbono, las cuales se unen por pegado entre sí y con respecto a las costillas (5) y al tubo (2).

Description

"PALA PARA AEROGENERADOR"
En un aerogenerador , la energía que se obtiene es función de la superficie de barrido de las palas del rotor que recibe la acción del viento, de tal forma que hasta ahora los mayores aerogeneradores realizados son de 800 a 1.000 Kilo atios, lo cual se consigue con unas palas de aproximadamente 30 metros de longitud, es decir con una superficie de barrido frente al viento del orden de 60 metros de di metro. Superar esas medidas resulta cuando menos muy problemático con las realizaciones constructivas de las palas utilizadas hasta ahora por los motivos siguientes :
1. - Las palas convencionales son de una construcción monocasco, lo que implica serias dificultades para el transporte, ya que cualquier longitud mayor de 30 metros obliga a transportes de tipo especial por carretera.
2. - Los aerogeneradores se montan generalmente en zonas de montaña, en donde la dificultad de los accesos agrava aún más el problema del transporte.
3. - Las palas convencionales se vienen haciendo en fibra de vidrio, material éste que tiene una restringida resistencia a la fatiga y rigidez, condicionando a unas determinadas limitaciones las posibilidades de su aplicación.
Todo ello da lugar a un condicionamiento que se puede denominar "EFECTO TAMAÑO", debido al cual las palas monocasco de fibra de vidrio no pueden alcanzar dimensiones mayores de las que ya existen, lo que determina una barrera prácticamente infranqueable para conseguir con esa forma de realización constructiva aerogeneradores de mayor potencia que los existentes .
En un intento de hacer factible la utilización de aerogeneradores de hasta 5 Mega atios , científicos alemanes estudian la posibilidad de instalación de los grandes aerogeneradores necesarios en el mar, lo cual elimina el problema del transporte por carretera, siempre y cuando la construcción se lleve a cabo en lugares directamente accesibles al mar; pero sigue persistiendo el inconveniente de las limitaciones dimensionales de las palas en función de la forma constructiva y del material empleado .
De acuerdo con la presente invención se propone una pala para aerogenerador , cuya realización constructiva soluciona de un modo satisfactorio los problemas mencionados, permitiendo la construcción de palas de gran longitud con una adecuada resistencia para los esfuerzos que han de soportar y además con una composición que permite la división en partes para el transporte normal por carretera.
Esta pala objeto de la invención se constituye por un conjunto de tramos longitudinales acoplables, cada uno de los cuales comprende un alma formada por un tubo de fibra de carbono, con casquillos de acero insertados en los extremos para los acoplamientos , incorporándose de manera solidaria sobre dicho tubo una serie de costillas transversales de fibra de carbono o fibra de vidrio, en tanto que sobre el conjunto se disponen unas cubiertas de fibra de vidrio o fibra de carbono, las cuales se unen por pegado entre si, sobre las costillas y sobre el tubo, formando un conjunto estructural unitario.
Se obtiene asi una pala multicasco, formada por tramos de una longitud que no requiere instalaciones sobredimensionadas para la construcción, resultando dicha longitud además adecuada a efectos de la posibilidad de un transporte normal por carretera, en tanto que mediante la composición correspondiente se pueden formar palas de cualquier dimensión longitudinal .
Cuando la dimensión de las palas determina una anchura en la base que supera las medidas admisibles para el transporte normal , se prevé la composición a su vez de la zona extrema adyacente a la base con un traino lateral independiente, que puede ser desacoplado del resto para el transporte . La forma de las costillas es según el perfil aerodinámico que corresponde a la sección transversal de las palas , estableciéndose la unión de dichas costillas con el tubo longitudinal en un punto que corresponde al 25% de la longitud de las mismas, es decir en el punto que coincide con el centro de gravedad del perfil aerodinámico de las mencionadas costillas , por lo que éstas no crean torsión sobre el tubo en el comportamiento del trabajo de las palas.
Al no haber torsión, la disposición constructiva del conjunto con las cubiertas exteriores adosadas al tubo longitudinal, hace que dicho tubo longitudinal, de fibra de carbono y por lo tanto muy rígido, asuma toda la responsabilidad de los esfuerzos de carga; en tanto que las cubiertas de fibra de vidrio y en consecuencia muy elásticas , solo asumen el esfuerzo de la función aerodinámica, resultando por consiguiente las palas de una gran resistencia a los esfuerzos que han de soportar en el trabajo de aplicación. La elasticidad de las cubiertas se consigue en su mayor grado mediante el encintado constructivo de las mismas a + 45°, con lo cual la capacidad de estiramiento del material construido es máxima.
Por todo ello, esta pala objeto de la invención resulta ciertamente de unas características muy ventajosas, que la confieren vida propia de por si y carácter preferente respecto de las palas convencionales utilizadas hasta ahora en los aerogeneradores .
La figura 1 representa en perspectiva una pala de aerogenerador según el objeto de la invención. La figura 2 es una perspectiva explosionada de la misma pala anterior.
La figura 3 es una perspectiva del tubo longitudinal de la estructura de la pala con sendos detalles ampliados en sección correspondientes al extremo de base y a los extremos acoplables de los tramos componentes .
La figura 4 es una perspectiva del mencionado tubo longitudinal de la pala con las costillas transversales incorporadas , habiéndose extraído en detalle ampliado la configuración de una costilla.
La figura 5 es una vista lateral de una pala de dos tramos según el objeto de la invención, habiéndose extraído un detalle ampliado en sección de la zona de acoplamiento de los tramos. La figura 6 es una vista lateral de la misma pala anterior con los tramos unidos, habiéndose extraído un detalle ampliado en sección de la zona de unión de los tramos y a su vez un detalle más ampliado de la parte de unión correlativa de las cubiertas. La figura 7 es una vista en representación ampliada de la sección transversal de la pala según el corte VII-VII indicado en la figura anterior.
La figura 8 muestra en perspectiva una pala de tres tramos según el objeto de la invención. La figura 9 es una perspectiva de la misma pala de la figura anterior, con los tramos componentes separados .
La figura 10 muestra en perspectiva una pala de tres tramos longitudinales y un cuarto tramo lateral en la parte que corresponde a la zona extrema de mayor anchura.
La figura 11 es una perspectiva de la misma pala de la figura anterior, con los tramos componentes separados . El objeto de la invención se refiere a una pala para aerogenerador, la cual se forma por composición mediante uno, dos o más tramos (1) sucesivamente acoplables .
Cada uno de dichos tramos (1) componentes se estructuran con un alma formada por un tubo longitudinal
(2) realizado en fibra de carbono, con inclusión de unos caequillos de acero (3) y (3.1) solidariamente insertados por dentro y por fuera en los extremos de acoplamiento, para establecer a través de los caequillos interiores (3) el amarre de unión entre los mencionados tramos (1) , mientras que en el extremo que corresponde a la base de la pala el tubo (2) respectivo incluye otros casquillos
(4) y (4.1) para la sujeción de amarre sobre el soporte respectivo en el aerogenerador mediante el casquillo (4.1) exterior .
En incorporación solidaria sobre el tubo (2) se disponen además unas costillas transversales (5) , realizadas en fibra de carbono o fibra de vidrio, las cuales son de una forma correlativa al perfil aerodinámico de la pala.
Dichas costillas (5) se disponen con respecto al tubo (2) de tal forma que éste pasa por ellas a través de un punto que corresponde al 25% de la longitud de las mismas, con lo cual esas costillas (5) quedan montadas precisamente en sujeción por el punto que coincide con el centro de gravedad del perfil aerodinámico que configuran.
De esta forma las mencionadas costillas (5) no crean torsión sobre el tubo (2) por el esfuerzo que origina el trabajo de la pala, a diferencia de lo que ocurre en las palas utilizadas hasta ahora, en las que se producen esfuerzos de torsión que afectan a la estructura de la pala.
Sobre el conjunto del tubo (2) , y de las costillas (5) se dispone un cubrimiento formado por carcasas (6) , realizadas en fibra de vidrio o fibra de carbono , las cuales se unen por pegado entre si , estableciéndose a su vez pegadas a las costillas (5) y al tubo (2) , según se observa en la figura 7. Como representa la figura 2, las carcasas (6) que corresponden a los laterales determinan una conformación (7) de manera correspondiente con la curvatura del contorno del tubo (2) , quedando definidas en dicha conformación (7) unas ranuras (8) de acuerdo con la posición y el grosor de las costillas (5) , de forma que en el montaje dichas carcasas laterales (6) encajan quedando adosadas al tubo (2) , a la vez que quedan apoyadas sobre las costillas (5) .
Dicha disposición y el pegado de unión entre todas las partes, hace que cada tramo (1) resulte según un conjunto estructural unitario. Los tramos asi formados se unen para la composición de la pala, mediante amarres (9) entre los caequillos (3) incluidos en los tramos de tubo (2) , estableciéndose a su vez la unión entre las carcasas (6) respectivas mediante unos correspondientes amarres (10) respecto de un una costilla metálica (11) que se incluye en el acoplamiento, atornillándose entre los casquillos (3) , conforme se observa en las figuras 5 y 6. El conjunto de la pala resulta asi con un alma de gran rigidez, formada por el tubo (2) de fibra de carbono y con una cubierta elástica, formada por las carcasas (6) de fibra de vidrio, cuya realización constructiva se halla prevista además mediante un encintado a + 45° con lo cual se obtiene una capacidad máxima de estiramiento del material formado .
Dichas características de los materiales, junto con la disposición de las carcasas (6) apoyadas sobre las costillas (5) y adosadas al tubo (2) , asi como la disposición de las costillas (5) en el montaje, de tal forma que no provocan torsión sobre el tubo (2) , hace que el conjunto de la pala se comporte en la función del trabajo asumiendo el tubo (2) toda la responsabilidad de los esfuerzos de carga, en tanto que las carcasas (6) de la cubierta sólo resultan sometidas al esfuerzo de la función aerodinámica, resultando en consecuencia la pala de una gran resistencia a los esfuerzos que ha de soportar en el trabajo de aplicación, con posibilidad de longitudes que rebasan las posibilidades de las palas convencionales.
La composición en tramos (1) permite además un divisionamiento de la pala en partes dimensionalmente adecuadas para el transporte normal por carretera, de forma que, por ejemplo, para longitudes entre 35 y 50 metros la composición se realiza en dos tramos (1) , como la realización de las figuras 1 a 6 , mientras que para longitudes entre 50 y 65 metros la composición se realiza al menos en tres tramos (1) , como la realización de las figuras 8 y 9. Cuando por la dimensión constructiva la anchura de la pala resulta en la zona extrema de la base de una dimensión que sobrepasa las medidas admisibles para el transporte normal por carretera, dicha parte más ancha se prevé a su vez compuesta con un tramo lateral (12) independiente, según las figuras 10 y 11, de forma que para el transporte dicho tramo (12) puede igualmente ir desacoplado, para que todas las partes resulten dentro de las medidas de transporte en condiciones normales .
La pala se remata en el extremo con una punta metálica (13) , unida a la cual se incluye por el interior del tubo (2) un cable conductor (14) , de forma que la punta metálica (13) hace de captador de rayos, los cuales se descargan a través del cable (14) hasta un colector de descarga a tierra. En el borde estrecho de la pala las carcasas laterales (6) se unen mediante apresado con un perfil metálico (15) , el cual queda unido a la punta metáñica (13) , de forma que dicho perfil (15) sirve para la descarga de la electricidad estática, haciendo a su vez de captador de rayos , por la descara a través de la punta metálica (13) y del cable (14) hacia el colector de descarga a tierra.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S 1.- Pala para aerogenerador, caracterizada porque se constituye por composición mediante uno, dos o más tramos longitudinales (1) sucesivamente acoplables, cada uno de los cuales comprende un alma formada por un tubo longitudinal (2) de fibra de carbono, sobre el cual se incorporan solidariamente una serie de costillas transversales (5) de fibra de carbono o de fibra de vidrio, en tanto que sobre el conjunto se dispone una cubierta formada por carcasas (6) de fibra de vidrio o ibra de carbono , las cuales se unen por pegado entre si y con respecto a las costillas (5) y al tubo (2) .
2. - Pala para aerogenerador, en todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque las costillas (5) van dispuestas en el montaje quedando atravesadas por el tubo (2) en un punto que corresponde al 25% de la longitud de dichas costillas (5) , coincidiendo con el centro de gravedad del perfil aerodinámico de las mismas .
3. - Pala para aerogenerador, en todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque las carcasas laterales (6) de la cubierta exterior determinan una conformación (7) en correspondencia con la curvatura periférica del tubo (2) , quedando definidas en dicha conformación (7) unas ranuras (8) en correspondencia con la posición y el grosor de las costillas (5) , de forma que en el montaje dichas carcasas laterales (6) quedan encajadas adosándose al tubo (2) .
4. - Pala para aerogenerador , en todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque los tramos del tubo (2) incluyen solidariamente insertados unos caequillos (3) de acero, los cuales sirven de medio para establecer el amarre en la unión del montaje entre los tramos (1) de la pala.
5.- Pala para aerogenerador, en todo de acuerdo con la primera reivindicación , caracterizada porgue entre los tramos (1) componentes de la pala se incluye una costilla metálica (11) , sobre la cual se establece la sujeción de las respectivas carcasas (6) de los tramos (1) en la correspondiente unión del montaje.
6.- Pala para aerogenerador, en todo de acuerdo con la primera a quinta reivindicaciones , caracterizada porque cuando la parte más ancha de la pala sobrepasa una dimensión determinada, dicha parte se constituye incluyendo un tramo lateral (12) independiente, que puede ser desacoplado para la realización del transporte.
7.- Pala para aerogenerador, en todo de acuerdo con la primera a sexta reivindicaciones , caracterizada porque en el borde estrecho del perfil aerodinámico de la pala las carcasas laterales (6) se unen mediante apresado con un perfil metálico (15) , el cual sirve a la vez para la descarga de la electricidad estática y como captador de rayos .
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