ES2249182B1 - Viga estructural de la pala de un aerogenerador eolico y proceso de fabricacion de la misma. - Google Patents
Viga estructural de la pala de un aerogenerador eolico y proceso de fabricacion de la misma. Download PDFInfo
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Abstract
Viga estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico constituida por un cuerpo-raíz (2) y un cuerpo-tronco (3) con forma de cajón de sección decreciente hacia la punta de la pala, constituido por varias pilas (26) formadas cada una de ellas por varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética (14), situadas en sus zonas superior (7) e inferior (9), intercaladas entre varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética (15) dispuestas a lo largo de todo su perímetro, incluyendo al menos entre dos pilas (26) una capa de material de refuerzo (16) en cada una de las zonas laterales (11, 11'') envuelta por un film adhesivo de resina. La invención también comprende un procedimiento para la fabricación de la viga estructural (1) que, entre otras etapas, comprende la aplicación de las capas mencionadas sobre un molde y el curado de la viga.
Description
Viga estructural de la pala de un aerogenerador
eólico y proceso de fabricación de la misma.
La presente invención se refiere a una viga
estructural fabricada en material compuesto, a base de fibra de
vidrio, fibra de carbono y resina sintética y más en particular a
la viga estructural de una pala de un aerogenerador eólico así como
al proceso de fabricación de la misma.
Los componentes estructurales de las palas de
los aerogeneradores eólicos han de estar diseñados para soportar
las tensiones derivadas de sus condiciones de trabajo continuo,
siendo deseable que tengan el menor peso posible. Es por esto que
se vienen utilizando materiales compuestos para su fabricación.
No se conocen sin embargo palas de
aerogeneradores eólicos cuyo componente estructural esté
específicamente diseñado para poder ser objeto de una fabricación
mecanizada eficiente. En este sentido, se conocen antecedentes en
el sector aeronáutico como los mencionados seguidamente.
En el documento PCT WO 84/04905 se describe un
proceso de fabricación para un revestimiento de un ala de avión en
material compuesto, en el que el desmoldeo se realiza aplicando
presión neumática en unas bolsas de aire previstas a tal efecto,
quedando conformado el revestimiento final tras su curado previo a
temperatura. La complejidad de este proceso y el control que es
necesario realizar en la presión neumática del molde quedan
resueltos con la presente invención, como se verá más adelante.
El documento PCT WO 96/06776 describe un proceso
de fabricación para conformar un revestimiento de material
compuesto para la pala del rotor de un helicóptero. En este proceso
el desmoldeo se produce igualmente aplicando presión sobre un
mandril inflable.
El documento US 5632602 describe el proceso
seguido para el recubrimiento de resina sintética reforzada con
fibra de una pala de rotor. Este proceso se realiza mediante
laminación directa sin desmoldeo.
En el documento JP 6074142 se describe asimismo
un método manual de embandado de fibra y resina sobre un elemento
viga, para reforzar la resistencia del mismo en la dirección
longitudinal.
Finalmente, el documento US 4273601 describe un
método de embandado de resina reforzada con filamentos de fibras,
sin proceso de desmoldeo.
En un primer aspecto, la presente invención
propone un diseño específico de la viga estructural de una pala de
un aerogenerador eólico y, en un segundo aspecto, un procedimiento
de fabricación de la misma susceptible de una mecanización con un
alto grado de automatización.
La viga estructural que se propone está formada,
al igual que en la técnica conocida por un primer cuerpo o cuerpo
raíz con una primera parte próxima al buje del aerogenerador con
forma cilíndrica, una tercera parte con forma de cajón y una
segunda parte con formas de transición y un segundo cuerpo, al que
llamaremos cuerpo-tronco.
Según la presente invención, en su primer
aspecto, este cuerpo-tronco que tiene forma de
cajón de sección decreciente hacia la punta de la pala está
constituido por varias pilas formadas cada una de ellas por varias
capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética situadas
en sus zonas superior e inferior intercaladas entre varias capas de
fibra de vidrio impregnadas con resina sintética dispuestas a lo
largo de todo su perímetro, incluyendo además una capa de material
de refuerzo a la flexión en cada una de las zonas laterales y un
film de resina que envuelve el conjunto anterior.
Según la invención, en su segundo aspecto, el
proceso de fabricación de esa viga comprende las siguientes
etapas:
a) Preparación de un molde con la forma del
hueco de la viga dotado de medios para facilitar las operaciones
subsiguientes;
b) Introducción del cuerpo-raíz
en el molde;
c) Aplicación sucesiva sobre la zona del molde
correspondiente al cuerpo-tronco de:
- -
- varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética recubriendo, a modo de vendaje, toda la superficie del molde, formando una capa inicial sobre la que posteriormente se aplicará el carbono,
- -
- varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética en la cara superior del molde,
- -
- varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética recubriendo, a modo de vendaje, toda la superficie del molde y evitando que con el posterior giro las capas de carbono se despeguen y caigan;
d) Giro de 180º del molde;
e) Repetición de la etapa c) con la cara
inferior del molde;
f) Aplicación de una capa de material de
refuerzo a la flexión en cada una de las zonas laterales del molde,
previa colocación en estas zonas de unas láminas de resina que las
fijan verticalmente, envolviéndola posteriormente con film adhesivo
de re-
sina;
sina;
g) Repetición de las etapas c) a e) una
pluralidad de veces;
h) Curado de la viga mediante la aplicación de
flujos de aire caliente a las superficie exterior de la viga y al
interior del molde;
i) Enfriamiento hasta temperatura de desmoldeo,
desmoldeo y enfriamiento de la viga hasta temperatura ambiente.
Este proceso de fabricación, como se verá en
mayor detalle más adelante, permite que la aplicación de las capas
de los materiales compuestos mencionados pueda ser efectuada por
máquinas especializadas, tales como bobinadoras de fibra de vidrio
y máquinas de encintado automático para el material de fibra de
carbono.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de
una realización ilustrativa de su objeto en relación con las
figuras que se acompañan.
La Figura 1 muestra esquemáticamente las
distintas partes que componen una pala de un aerogenerador
eólico.
La Figura 2 representa un corte en sección
longitudinal de una pala de un aerogenerador eólico.
La Figura 3 muestra esquemáticamente la
configuración de la viga estructural de la pala de un aerogenerador
eólico según la presente invención.
La Figura 4 representa esquemáticamente los
componentes utilizados en una realización del proceso de
fabricación de la viga estructural de la pala de un aerogenerador
eólico según la presente
invención.
invención.
La Figura 5 muestra en esquema el molde
utilizado en una realización del proceso de fabricación de la viga
estructural de la pala de un aerogenerador eólico según la presente
invención.
La Figura 6 muestra la configuración de las
telas de fibra de vidrio aplicadas sobre el molde.
La Figura 7 muestra la configuración de las
telas de fibra de carbono laminadas sobre los extremos superior e
inferior del molde.
La Figura 8 muestra esquemáticamente el proceso
de aplicación de la bobinadora.
La Figura 9 representa esquemáticamente una
bobinadora de fibra de vidrio de utilidad para la realización del
proceso de fabricación de la viga estructural de la pala de un
aerogenerador eólico según la presente invención.
La Figura 10 representa los elementos utilizados
en la etapa de curado.
La Figura 11 muestra esquemáticamente el flujo
de aire caliente en el interior del molde durante el proceso de
curado.
Según se muestra en las Figuras 1 y 2 una pala
de aerogenerador eólico conocida en la técnica está constituida por
una viga estructural 1, una concha superior o extradós 44 y una
concha inferior o intradós 45.
La viga estructural 1 está formada por un primer
cuerpo ó cuerpo-raíz 2 y un segundo cuerpo o
cuerpo-tronco 3.
El cuerpo-raíz 2 está formado
por una primera parte 4 de forma cilíndrica, una segunda parte 5 de
transición y una tercera parte 6 con forma de cajón.
El cuerpo tronco 3 tiene forma de cajón con una
sección decreciente hacia la punta de la pala, teniendo que
soportar su cara superior 7, que está en contacto con el extradós
44, y su cara inferior 9, que está en contacto con el intradós 45,
tensiones superiores a sus caras laterales 11 y 11', durante la vida
útil de la
pala.
pala.
Según la presente invención, la viga estructural
1 está formada por un cuerpo-raíz 2 estructurado de
manera apropiada para cumplir las funciones de fijación de la pala
al buje del aerogenerador y de soporte y transmisión de las cargas
máximas a las que se ve sometida la pala por la acción del viento, y
por un cuerpo-tronco 3 constituido, como se muestra
en la Figura 3, por varias pilas 26 formadas cada una de ellas por
varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética
14 situadas en las zonas superior 7 e inferior 9 de la viga,
intercaladas entre varias capas de fibra de vidrio impregnadas con
resina sintética 15 dispuestas en toda su superficie, así como por
una capa de material de refuerzo 16 en cada lateral de la viga,
estando fijadas estas capas de refuerzo verticalmente a la viga
mediante unas láminas de resina, y envolviéndola posteriormente con
film adhesivo de resina.
Pasamos seguidamente a describir las principales
etapas que componen un procedimiento, según una realización de la
presente invención, para la fabricación de la mencionada viga
estructural.
En esta primera parte del proceso se prepara la
superficie del molde 21 representado en la Figura 5 que será
utilizado para la fabricación de la viga 1 con un tratamiento de
líquidos desmoldeantes que facilitarán la operación posterior de
extracción de la viga 1. Tras esta operación, se colocan unos
elementos de fijación 56 que servirán como conexión con los sistemas
de suportación 57, 58 y 59 del molde 21. Estos sistemas de
suportación son del tipo retráctil, de manera que permitirán el
paso de una bobinadora 47 en el proceso de bobinado, como se
explicará más adelante. En la posición de laminado el molde 21 se
encontrará sustentado en sus partes extremas, mediante un apoyo
articulado 10 y un apoyo empotrado 13, permitiendo ambos el giro en
el sentido axial del molde. La sustentación del molde 21 por los
soportes 57, 58 y 59 se realizará mediante apoyos articulados.
Una vez preparado el molde 21 se introduce en él
el cuerpo 2 hasta su extremo 13, fijándolo mediante unión
atornillada con insertos metálicos roscados al elemento 18, que se
utilizará para la operación de desmoldeo al final del
procedimiento.
En esta etapa se procede a la laminación de la
viga 3, es decir a la aplicación sucesiva de capas de fibra de
carbono y resina, 14, y de capas de fibra de vidrio y resina,
15.
Para realizar el laminado de la viga 3, el molde
21 debe estar descansando sobre los tres apoyos de tipo retráctil
57, 58 y 59, y apoyado en la punta mediante un apoyo denominado
jirafa, 10, tal como se muestra en la Figura 5.
El inicio del proceso de laminado consiste en
bobinar varias capas de fibra de vidrio 15 sobre el molde 21 en la
posición anterior, utilizando una bobinadora 47, que lleva unas
vallas laterales de protección 20. Como se muestra en la figura 6,
las capas están formadas por telas 8, solapadas entre sí
longitudinalmente, entre 10 y 20 mm, con las fibras de vidrio
orientadas +/- 45º aproximadamente respecto al eje 12 de la viga
3.
A continuación, sobre la superficie superior 35
del molde 21 se laminan las capas de fibra de carbono 14 mediante
una máquina de encintado automático de laminación 24 provista de un
cabezal 22 y alimentada por un depósito de carbono 23, hasta
alcanzar el radio de conexión 37 con las partes laterales 39 del
molde 21. Según se muestra en la Figura 7, las capas 14 están
formadas por telas 49 que no se solapan entre sí.
Seguidamente, se bobina sobre los laminados de
carbono anteriores, y utilizando una bobinadora 47, una segunda
capa de fibra de vidrio y resina.
Los tres pasos anteriormente citados, a saber,
bobinado de capas de fibra de vidrio, laminado de capas de fibra de
carbono y segundo bobinado de fibra de vidrio y resina, constituyen
la pila 26.
Tras este proceso, se retiran los soportes 57,
58 y 59, y se gira el molde 21 en 180º, volviéndose posteriormente
a situar los soportes, colocándose otra pila 26 en la superficie 36
del molde 21 (antes situada en su parte inferior). Siguiendo este
proceso, se deben colocar un numero predefinido de pilas 26 en
función de la rigidez que se quiera alcanzar en las caras superior 7
e inferior 9 de la viga 3.
A continuación, y sin retirar los soportes 57,
58 y 59, se procede a colocar unas láminas de resina en cada una de
las zonas laterales del molde 21, que sujetarán las dos capas o
núcleos de espuma 16 en cada uno de los laterales del molde 21 y se
envuelve el conjunto con un film adhesivo de resina.
Tras ello se vuelven a colocar una pluralidad de
pilas 26, quedando una configuración simétrica con respecto a los
núcleos de espuma 16.
Como puede desprenderse de las Figuras 5 y 8, en
el proceso de bobinado, los apoyos de tipo retráctil, 57, 58 y 59
se esconden al paso de la bobinadora 47 de la Figura 9.
Como puede apreciarse en la Figura 10, la
operación de preparación del curado consiste en cubrir por completo
la viga 3 y el molde 21 anteriores con una bolsa de vacío cerrada,
31, la cual se conecta a una bomba de vacío, alcanzándose, para
esta realización concreta de la invención, una presión de vacío de
entre -0,7 y -0,8 bar, manteniéndose durante todo el proceso de
curado una presión mínima de -0,7 bar.
En la Figura 10 se puede apreciar que sobre la
viga 3 se coloca una película pelable 28, que al ser retirada
dejará una superficie limpia y rugosa que facilitará la posterior
adhesión de otros elementos (al formar la pala completa) y una
bolsa de vacío 31. Esta bolsa de vacío 31 encierra: un aireador 30,
formado por un tejido esponjoso que permite el paso del aire, de
manera que distribuye el vacío uniformemente en la superficie del
laminado; y un sangrador 29, formado por una película perforada de
plástico, con una determinada densidad de agujeros, que facilita el
flujo de resina hacia el exterior, eliminando el contenido de aire
dentro del laminado de material compuesto y eliminando igualmente
el excedente de resina contenido en la fibra ya que, salvo
excepciones, el prepreg siempre contiene un excedente de resina.
Según se observa en la Figura 11, el proceso de
curado consiste en el secado, mediante la aplicación de un flujo de
aire caliente, de las telas empiladas sobre el molde 21 durante el
proceso de laminación, de modo que adquieran la morfología
definitiva de la viga 3.
El curado se realiza tanto desde el exterior,
mediante aire soplado en las estufas de curado 25 que aparecen en
la Figura 4, como por su interior, como puede observarse en la
Figura 11.
El interior de la viga 3 cura gracias a los
canales internos que posee el molde 21, en los cuales se introduce
aire caliente 34 - con los regímenes de caudal, presión y
temperatura óptimos para el correcto curado de la viga 3 - desde el
sistema de calentamiento 19 de la Figura 4, a través del conducto de
impulsión 32 del molde 21. Dicho conducto está taladrado de modo
que el aire caliente de curado pasa a los conductos de extracción
33.
Durante la operación de curado la viga 3
adquiere su forma definitiva, por lo que es importante minimizar su
deflexión durante esta parte del proceso. Para ello, la viga 3 cura
en una posición en la cual el apoyo del molde 21 durante el curado
se realiza mediante dos tornillos niveladores que se atornillan a
los soportes, situados en unas zonas del molde preparadas para
dicha función. Estos tornillos niveladores están anclados a las
estufas de curado 25, en su zona interna.
El proceso de desmoldeo consiste en la
extracción de la viga 1 después de haber adquirido ésta su
morfología y sus propiedades mecánicas finales. Según esta
realización concreta de la presente invención, para proceder al
desmoldeo se deben retirar primeramente las estufas de curado 25, y
colocar posteriormente dos eslingas ligadas a un puente grúa. A
continuación, se retira el apoyo del molde en punta 10.
El cuerpo 2 de la viga está fijado en su parte
final circular mediante unión atornillada con insertos metálicos
roscados al sistema de desmoldeo o extracción 18 de modo que,
mientras que el cuerpo 2 está fijado a una brida móvil, el molde 21
está fijado en su extremo 13 a una brida estática. Posteriormente,
mediante accionamiento hidráulico del sistema de desmoldeo 18 en el
sentido del eje del molde 21, se expulsa la viga 1 ya terminada,
acompañando su movimiento las eslingas de un
puente-grúa estándar. Una vez que la viga 1 ha sido
desmoldeada por completo, es llevada a unos puestos de enfriamiento
(no mostrados), en los que se asegura que su forma final sea la
deseada.
En la realización preferente que acabamos de
describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas
dentro del alcance definido por las siguientes
reivindicaciones.
Claims (10)
1. Viga estructural (1) de la pala de un
aerogenerador eólico constituida por un primer cuerpo ó
cuerpo-raíz (2) realizado en un material compuesto
con una primera parte (4), próxima al buje del aerogenerador, con
forma cilíndrica, una tercera parte (6) con forma de cajón y una
segunda parte (5) con formas de transición entre las de la primera
y la tercera parte, y un segundo cuerpo o
cuerpo-tronco (3) con forma de cajón de sección
decreciente hacia la punta de la pala, caracterizada porque
el cuerpo-tronco (3) está constituido por varias
pilas (26) formadas cada una de ellas por varias capas de fibra de
carbono impregnadas con resina sintética (14), situadas en sus
zonas superior (7) e inferior (9), intercaladas entre varias capas
de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética (15) dispuestas
a lo largo de todo su perímetro, incluyendo al menos entre dos
pilas (26) una capa de material de refuerzo (16) en cada una de las
zonas laterales (11, 11') envuelta por un film adhesivo de
resina.
resina.
2. Viga estructural (1) de la pala de un
aerogenerador eólico según la reivindicación 1 caracterizada
porque las mencionadas capas de fibra de carbono impregnadas con
resina sintética (14) están formadas por una pluralidad de telas
(49) de fibra de carbono impregnadas con resina sintética
dispuestas una al lado de otra, sin solapes entre ellas, con las
fibras de carbono orientadas en la misma dirección del eje (12) de
la viga (1).
3. Viga estructural (1) de la pala de un
aerogenerador eólico según la reivindicación 1 caracterizada
porque las mencionadas capas de fibra de vidrio impregnadas con
resina sintética (15) están formadas por una pluralidad de telas
(8) de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética dispuestas
una al lado de la otra, con una zona de solape entre ellas, con las
fibras de vidrio orientadas en direcciones formando ángulos de +/-
45º con la dirección del eje (12) de la
viga (1).
viga (1).
4. Procedimiento para la fabricación de una viga
estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico constituida
por un primer cuerpo ó cuerpo-raíz (2) realizado en
un material compuesto con una primera parte (4), próxima al buje del
aerogenerador, con forma cilíndrica, una tercera parte (6) con forma
de cajón y una segunda parte (5) con formas de transición entre las
de la primera y la tercera parte, y un segundo cuerpo o
cuerpo-tronco (3) con forma de cajón de sección
decreciente hacia la punta de la pala, caracterizado porque
comprende las etapas siguientes:
a) Preparación de un molde (21), con la forma
del hueco de la viga (1), dotado de medios de giro sobre su eje y
de unos medios de apoyo en el suelo consistentes en unos soportes
retráctiles (57, 58, 59) dispuestos espaciadamente respecto al
cuerpo del molde (21) y un soporte (10) articulado al extremo del
molde (21) correspondiente a la punta de la
pala;
pala;
b) Introducción del cuerpo-raíz
(2) en el molde (21) y fijación empotrada del extremo (13) del
molde correspondiente a la primera parte del cuerpo raíz al sistema
de desmoldeo (18);
c) Aplicación sucesiva sobre la zona del molde
(21) correspondiente al cuerpo-tronco (3) de:
- -
- varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética (15) en toda la superficie del molde (21),
- -
- varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética (14) en la cara superior del molde (21),
- -
- varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética (15) en toda la superficie del molde (21);
d) Giro de 180º del molde (21), previa retirada
de los soportes retráctiles (57, 58, 59);
e) Repetición de la etapa c) con la cara
inferior del molde;
f) Aplicación de una capa de material de
refuerzo (16) sobre cada una de las zonas laterales del molde (21)
previa colocación en estas zonas de unas láminas de resina que las
fijan verticalmente y envoltura del conjunto con un film adhesivo
de resi-
na;
na;
g) Repetición de las etapas c) a e) una
pluralidad de veces;
h) Curado de la viga (3) mediante la aplicación
de flujos de aire caliente a las superficie exterior de la viga y
al interior del molde (21);
i) Enfriamiento hasta temperatura de desmoldeo,
desmoldeo y enfriamiento de la viga hasta temperatura ambiente.
5. Procedimiento para la fabricación de una viga
estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico según la
reivindicación 4 caracterizado porque el molde (21) lleva un
tratamiento en su superficie en base a líquidos desmoldeantes, para
facilitar la operación de desmoldeo de la viga (1).
6. Procedimiento para la fabricación de una viga
estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico según la
reivindicación 4 caracterizado porque los soportes
retráctiles (57, 58, 59) del molde (21) permiten el paso de la
bobinadora (47), ocultándose durante el proceso de bobinado.
7. Procedimiento para la fabricación de una viga
estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico según la
reivindicación 4 caracterizado porque la viga (3) y el molde
(21) permanecen en una bolsa de vacío cerrada (31) conectada a una
bomba de vacío durante la preparación del curado, alcanzándose en
su interior una presión de vacío de entre -0,7 y -0,8 bar,
manteniéndose durante todo el proceso de curado en una presión
mínima de -0,7 bar.
8. Procedimiento para la fabricación de una viga
estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico según la
reivindicación 4 caracterizado porque el interior de la zona
cuerpo-tronco (3) se cura gracias a unos canales
internos que posee el molde (21), en los cuales se introduce aire
caliente (34) a través de un conducto de impulsión (32) del molde
(21), estando dicho conducto taladrado de modo que el aire caliente
de curado pase a los conductos de extracción (33), calentando la
superficie interior del cuerpo-tronco
(3).
(3).
9. Procedimiento para la fabricación de una viga
estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico según la
reivindicación 4 caracterizado porque el interior de la zona
cuerpo-tronco (3) se cura en una posición en la cual
el apoyo del molde (21) se realiza mediante dos tornillos
niveladores que se atornillan al molde, situados en unas zonas del
molde preparadas para dicha función, estando dichos tornillos
niveladores anclados a unas estufas de curado (25), en su zona
interna.
10. Procedimiento para la fabricación de una
viga estructural (1) de la pala de un aerogenerador eólico según la
reivindicación 4 caracterizado porque la viga (1), una vez
ha sido desmoldeada por completo, es llevada a unos puestos de
enfriamiento en los que se asegura que su forma final sea la
deseada.
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