WO2013113962A1 - Método de fabricación de pala de aerogenerador - Google Patents
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Definitions
- the present invention is framed in the field of the manufacture of blades for electricity generators from wind energy.
- the object of the invention is a method that allows windmill blades to be manufactured that makes use of a technique that facilitates the manufacture of said blades more effectively and in turn allows a high quality shovel to be obtained.
- the type of blade, as well as its mode of manufacture can also be conditioned by the type of inserts used, so in the Spanish patent ES2293261T3, the designed bushings are hollow and are formed by two pieces, being essential to mechanise recesses so that both parts they are assembled and fixed correctly, which complicates and makes the mounting of the bushing very noticeable.
- the outer surfaces of these bushings are smooth or slightly rough which implies a very poor adhesion of the bush to the adjacent composite.
- the object of the invention presented here describes a method of manufacturing wind turbine blades that provides a solution to the problems presently described in the previous section.
- the method object of the invention presents a solution suitable for a blade type with "self-supporting aerodynamic coatings" (structural typology for a simple and reliable manufacturing blade; the best for small and medium wind applications).
- the method described here makes use of solid monolithic inserts of square section with a grooved outer surface and corner agreements which minimizes the gaps between the inserts and the filling blocks, compared to the commonly used elements formed by substantially cylindrical bushings of more than one hollow piece that need closure or a plug to prevent the entry of resins, usually epoxy.
- Said inserts are placed following the method object of the invention in such a way that they rest directly on the stacking of fabrics - structure very resistant to tensile, compression, torsion, flexion and shear, since it is a monolithic structure.
- Figure 1 Shows a perspective view of the assembly of the inserts in the template attached to one of the molds.
- Figure 2. Shows a perspective view in which the central beam can be seen.
- Figure 3. Shows a detail of the inside of the part corresponding to the root of the blade in the mold.
- the manufacturing process of the blade described here begins with the manufacture of a mold (3) comprising two shells (upper and lower) and a beam (5) that is used as the soul of the blade, this being of optional or secondary application and restricted to this embodiment presented.
- the manufacturing process begins by applying a demoulding material on each shell of the mold (3) to easily unmold the blade once it is shaped and a coating layer is projected to give color and UV protection to the blade.
- Each insert (1) is tied on one of the two positioning templates (2) respectively attached to each mold shell (3) by means of an articulated joint (6) which in a preferred embodiment can be a hinge or similar and that at the same time it acts as a root cover of the mold (3) as can be seen in figure 3; leaving, when operating the articulated joint (6), the template (2) arranged orthogonally to the longitudinal axis of the mold (3), in this way the inserts (1) are arranged in parallel and spaced apart from each other as seen in Figure 1.
- an articulated joint (6) which in a preferred embodiment can be a hinge or similar and that at the same time it acts as a root cover of the mold (3) as can be seen in figure 3; leaving, when operating the articulated joint (6), the template (2) arranged orthogonally to the longitudinal axis of the mold (3), in this way the inserts (1) are arranged in parallel and spaced apart from each other as seen in Figure 1.
- a fibrillar material such as a filament type thread or fiber wick, which can be continuous or discontinuous the grooves of the inserts (1) and acts on the articulated joint (6) to rotate and place it the inserts (1) on the stacking of tissue layers (4).
- the gaps between inserts (1) are filled with filling blocks; retouching said gaps with strands of fiber yarn that can be continuous or discontinuous - or sprinkling yarn - and fiberglass fabric (4) to avoid remaining resin concentration points in the small gaps that remain between the inserts (1 ) and the filling blocks.
- the beam (5) is fixed on the lower shell, it is preferably fixed by adhesive, and the upper shell together with the lower shell and the beam (5), for this purpose the two templates ( 2) insert positioning (1) by means of an intermediate plate to guarantee the position of one with respect to the other.
- a demoulding product can be applied on the inside of the mold shells (3).
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Abstract
Se describe un método de fabricación de palas de aerogeneradores mediante el que se obtienen palas con un rendimiento mecánico elevado y una alta fiabilidad en la unión pala-buje, siendo ésta una de las uniones más críticas de un aerogenerador por el alto grado de solicitaciones a cargas extremas y de fatiga. Esta solución aporta también un método de fabricación más sencillo y económico en comparación con métodos anteriores, lo cual lo hace muy apto para pequeños fabricantes con recursos humanos, materiales y económicos limitados.
Description
MAN UFACTU RING METHOD FOR A WIND TURBINE BLADE
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en el campo de la manufactura de palas para generadores de electricidad a partir de energía eólica.
El objeto de la invención consiste en un método que permite fabricar palas para molinos de viento que hace uso de una técnica que facilita la fabricación de las citadas palas de manera más efectiva y a su vez permite obtener una pala de gran calidad.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
A día de hoy se encuentran distintas soluciones al problema de la construcción de palas de aerogenerador, dichas soluciones se pueden agrupar según tipología de estructura de pala, por ejemplo en la patente Española ES2293261T3, se detalla una estructura resistente de pala que se encuentra embebida en los recubrimientos aerodinámicos a diferencia de recubrimientos aerodinámicos de estructura que solamente tienen resistencia limitada (que requiere una viga central resistente y en la cual se alojan los casquillos). Esta construcción es muy dependiente de la fijación utilizada entre viga central y recubrimientos para garantizar el funcionamiento estructural correcto de la pala, por lo tanto se requiere de maquinaria especial y muy costosa para garantizar totalmente la delicada operación de fijación mediante adhesivo, sin embargo esta es la solución estructural habitual en los grandes fabricantes de aerogeneradores multi-
Mw.
El tipo de pala, así como su modo de fabricación también puede venir condicionado por el tipo de insertos usados, así pues en la patente Española ES2293261T3, los casquillos diseñados son huecos y están formados por dos piezas, siendo indispensable mecanizar rebajes para que ambas partes se ensamblen y fijen correctamente, lo cual complica y encarece el montaje del casquillo de manera muy notable. Las superficies exteriores de estos casquillos son lisas o ligeramente rugosas lo que implica una adhesión muy pobre del casquillo al material compuesto adyacente. Asimismo en el arte previo los insertos se apoyan sobre telas y bloques de espuma, que es una estructura poco resistente a tracción, compresión, torsión y cizalladura; lo que viene a ser una estructura tipo sándwich; dando como resultado una estructura resistente a sólo flexión con lo que en el eventual caso en el que los bloques de espuma se compactan de forma permanente por acción de fuerzas compresivas, pueden producirse deslaminaciones entre la espuma y el tejido derivando en una zona de rotura. Asimismo las curvas, dobleces y arrugas en los tejidos disminuyen drásticamente sus resistencias mecánicas. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención aquí presentada describe un método de fabricación de palas de aerogeneradores que aporta una solución a los problemas presentes en la actualidad descritos en el apartado anterior. El método objeto de la invención presenta una solución apta para una tipología de pala con "recubrimientos aerodinámicos autoportantes" (tipología estructural para pala de fabricación sencilla y fiable; la mejor para aplicaciones de pequeña y media eólica). El método aquí descrito hace uso de insertos macizos monolíticos de
sección cuadrada con una superficie exterior ranurada y acuerdos en las esquinas lo cual minimiza los huecos entre los insertos y los bloques de relleno, frente a los elementos utilizados habitualmente formados por casquillos sustancialmente cilindricos de más de una pieza hueca que necesitan de cierre o un tapón para evitar la entrada de resinas, normalmente epoxy. Dichos insertos se colocan siguiendo el método objeto de la invención de tal manera que se apoyan directamente sobre el apilado de telas - estructura muy resistente a tracción, compresión, torsión, flexión y cizalladura, ya que es una estructura monolítica.
Mediante el método de fabricación objeto de la invención se obtiene un rendimiento mecánico elevado y una alta Habilidad en la unión pala-buje, siendo ésta una de las uniones más críticas de un aerogenerador por el alto grado de solicitaciones a cargas extremas y de fatiga.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1 .- Muestra una vista en perspectiva del montaje de los insertos en la plantilla unida a uno de los moldes.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva en la cual se aprecia la viga central.
Figura 3.- Muestra un detalle del interior de la parte correspondiente a la raíz de la pala en el molde.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del método objeto de esta invención.
El proceso de fabricación de la pala aquí descrito comienza con la manufactura de un molde (3) que comprende dos conchas (superior e inferior) y una viga (5) que se utiliza como alma de la pala, siendo ésta de aplicación opcional o secundaria y restringida a este modo de realización presentado. El proceso de fabricación comienza aplicando un material de desmoldeo sobre cada concha del molde (3) para desmoldar fácilmente la pala una vez ésta sea conformada y se proyecta una capa de recubrimiento para dar color y protección UV a la pala. Sobre cada una de las conchas, que pueden ser partes simétricas, del molde (3) se colocan varias capas de tejido (4) de fibra de vidrio sobre el interior de cada concha del molde (3) generando una multicapa de tejido (4) que conforma un apilamiento de tejido (4). Se amarra cada inserto (1 ) sobre una de las dos plantillas (2) de posicionamiento respectivamente sujetas a cada concha del molde (3) por medio de una unión articulada (6) que en una realización preferente puede ser una bisagra o similar y que a su vez ejerce de tapa de raíz del molde (3) tal y como se observa en la figura 3; quedando, al accionar la unión articulada (6), la plantilla (2) dispuesta ortogonalmente al eje longitudinal del
molde (3), de esta manera los insertos (1 ) quedan dispuestos en paralelo y espaciados unos respecto de otros tal y como se observa en la figura 1 .
A continuación se rellenan, con un material fibrilar como puede ser un filamento tipo hilo o mecha de fibra, que puede ser continua o discontinua las ranuras de los insertos (1 ) y se actúa sobre la unión articulada (6) para girarla y colocar así los insertos (1 ) sobre el apilamiento de capas de tejido (4). Con los insertos (1 ) ya posicionados sobre las telas se procede a llenar los vacíos entre insertos (1 ) con unos bloques de relleno; retacando dichos huecos con mechas de hilo de fibra que puede ser continua o discontinua - o hilo de aspersión- y tejido (4) de fibra de vidrio para evitar que queden puntos de concentración de resina en los pequeños huecos que quedan entre los insertos (1 ) y los bloques de relleno. Finalmente se colocan varias telas de tejido (4) de fibra de vidrio sobre el conjunto formado por los insertos (1 ) y bloques de relleno para formar la capa interior de una estructura multicapa de capas tipo sandwich tejido (4)-insertos (1 )-tejido (4). Una vez colocadas todas las capas de diferentes materiales se procede a compactar el apilamiento de capas tejido (4), preferiblemente mediante un método de vacío, para después añadirle una matriz aglomerante al material compuesto resultante mediante presión de succión. Esta matriz puede ser resina de poliéster, vinilester o epoxi, siendo esta última la opción la opción a utilizar en una realización preferente del objeto de la invención. La matriz aglomerante es aditivada con un compuesto catalizador para que se acelere la polimerización y la pieza se termo-endurezca. Durante el proceso de endurecimiento se sigue aplicando presión de vacío y se controla la temperatura a unos niveles estimados para lograr unas propiedades mecánicas del material compuesto elevadas.
Una vez obtenidas ambas conchas del molde (3) se realiza una unión, preferiblemente mediante pegado con adhesivo de la concha superior, la concha inferior y la viga (5) o alma.
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Para fijar la viga, se fija la viga (5) sobre la concha inferior, ésta se fija preferiblemente mediante adhesivo, y la concha superior junto con la concha inferior y la viga (5), para ello se procede a unir las dos plantillas (2) de posicionamiento de insertos (1 ) mediante una placa intermedia para l o garantizar la posición de una con respecto a la otra.
Para facilitar la extracción de las piezas se puede aplicar un producto de desmoldeo sobre el interior de las conchas del molde (3).
Claims
1 . Método de fabricación de pala de aerogenerador caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
• colocar una pluralidad de capas de tejido (4) de fibra de vidrio sobre el interior de unas conchas de un molde (3) respectivamente, generando así un apilado de telas sobre el interior de dichas conchas,
• fijar al menos una plantilla (2) de posicionamiento a cada concha respectivamente mediante una unión articulada (6),
• fijar unos insertos (1 ) espaciados en paralelo unos con otros en cada plantilla (2) de posicionamiento,
• colocar los insertos (1 ) sobre el apilado de telas mediante accionamiento de la unión articulada (6) colocando la plantilla (2) en una posición ortogonal al eje longitudinal del molde (3),
• rellenar unas ranuras de cada inserto (1 ) con un material fibrilar,
• llenar unos espacios definidos entre cada inserto (1 ) con unos bloques de relleno,
• colocar varias capas de tejido (4) de fibra de vidrio sobre un conjunto formado por los insertos (1 ) y bloques de relleno, para formar una capa interior definida por una estructura multicapa tejido (4)-inserto (1 )-tejido (4),
• compactar el resultado generado en el paso anterior,
• añadir una matriz aglomerante al resultado del compactado del paso anterior generando así un material compuesto controlando la temperatura y aplicando vacío, y
• fijar las conchas del molde (3) mediante una unión que se realiza a lo largo de los bordes de cada concha usando: cada plantilla (2), cada unión articulada (6) como cierres y una placa intermedia.
2. Método de fabricación de pala de aerogenerador según reivindicación 1 caracterizado porque las conchas son dos conchas, una concha superior y una concha inferior, y la fijación de las conchas del molde (3) se realiza mediante los siguientes pasos:
• fijar la viga (5) sobre una de las conchas del molde (3),
• adhesivar la concha restante junto con:
« la concha que comprende la viga (5) fijada, y
• la propia viga (5), y
• unir cada plantilla (2) de posicionamiento mediante la placa intermedia para garantizar la posición relativa de las conchas del molde (3).
3. Método de fabricación de pala de aerogenerador según reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque adicionalmente comprende aplicar un producto de desmoldeo sobre el interior de las conchas del molde (3).
4. Método de fabricación de pala de aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque adicionalmente comprende proyectar al menos una capa de recubrimiento en el interior de las conchas del molde (3) destinada a dar color y protección UV.
5. Método de fabricación de pala de aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque adicionalmente comprende retacar unos huecos definidos entre cada inserto (1 ) con mechas de un material fibrilar y tejido (4) de fibra de vidrio para evitar que queden puntos de concentración de resina en los pequeños huecos que quedan entre cada inserto (1 ) y los bloques de relleno.
6. Método de fabricación de pala de aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 donde el paso de compactar el apilamiento de capas de tejido (4) se realiza mediante un método de vacío.
7. Método de fabricación de pala de aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 donde el paso de añadir una matriz aglomerante se lleva a cabo mediante presión de succión.
8. Método de fabricación de pala de aerogenerador según reivindicación 7 donde la matriz aglomerante comprende un compuesto catalizador destinado a acelerar una polimerización y producir un termo-endurecimiento.
9. Método de fabricación de pala de aerogenerador según reivindicación 8 caracterizado porque adicionalmente comprende, durante el proceso de endurecimiento, continuar aplicando y controlando presión de vacío y temperatura para lograr unas propiedades mecánicas del material compuesto elevadas.
10. Método de fabricación de pala de aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la matriz aglomerante se selecciona de entre el grupo consistente en: resina de poliéster, vinilester y epoxi.
1 1 . Método de fabricación de pala de aerogenerador según reivindicación 5 donde el material fibrilar es hilo de fibra discontinua.
12 . Método de fabricación de pala de aerogenerador según reivindicación 5 donde el material fibrilar es hilo de fibra continua.
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