Pala (14) de turbina eólica de polímero reforzado con fibras, que se caracteriza porque está dividida en una porción extrema interior (15) que incluye la raíz de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con fibra de vidrio, y una porción extrema exterior (17) que incluye la punta de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con fibra de carbono

Pala de turbina eólica con punta de fibra de carbono.

Campo técnico

La invención se refiere a una pala de turbina eólica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Las palas de las turbinas eólicas se hacen típicamente a partir de dos mitades de carcasa de pala fabricadas de polímero reforzado con fibras. Cuando se moldean, las dos mitades son pegadas una a la otra a lo largo de los bordes y por medio de dos tirantes, que con anterioridad a esta operación han sido pegados a la cara interior de una de las mitades de carcasa de pala. La otra mitad de carcasa de pala se dispone entonces en la parte superior de los tirantes y se pega allí y a lo largo de los bordes.

Las mitades de carcasa de pala por sí mismas se fabrican típicamente por medio de infusión al vacío, en la que las fibras distribuidas uniformemente, mechas que son haces de fibras, bandas de mechas o fieltros que pueden ser fieltros de fibras únicas o fieltros tejidos de mechas de fibras, son colocadas por capas en una porción de molde y cubiertas con una bolsa de vacío. Mediante la creación de vacío (normalmente 80 - 90%) en la cavidad existente entre la cara interior de la porción de molde y la bolsa de vacío, la resina es aspirada y llena la cavidad que contiene el material de fibras. Con el fin de obtener la distribución óptima de la resina, a menudo son utilizados las denominadas capas de distribución y canales de distribución entre la bolsa de vacío y el material de fibras.

El polímero utilizado es típicamente poliéster o epoxi, y el refuerzo de fibras generalmente se basa en las fibras de vidrio. Sin embargo, también es conocida la utilización de fibras de carbono que son más rígidas que las fibras de vidrio, pero que tienen un menor alargamiento a la rotura que las fibras de vidrio. Se pueden añadir fibras de carbono para obtener un mayor grado de rigidez y/o un peso inferior. De esta manera, es posible formar una porción del refuerzo de fibras que está formado por fibras de carbono para reducir el peso de la pala sin que la pala pierda demasiado de su rigidez. Sin embargo, las fibras de carbono son perjudicadas por el inconveniente de ser significativamente más caras que las fibras de vidrio, lo cual es una de las razones por las que no se utilizan ampliamente las palas de turbina eólica fabricadas de un polímero reforzado con fibra de carbono.

Técnica antecedente

Por medio del documento número WO 00114405 se conoce reforzar una pala de turbina eólica de polímero de fibra de vidrio con bandas longitudinales de polímero reforzado con fibra de carbono.

El documento norteamericano US 6.287.122 desvela la fabricación de productos compuestos alargados, en los que se obtiene una variación en la rigidez del producto a lo largo de su longitud alterando el contenido de fibras o la orientación angular de las fibras trenzadas.

El documento norteamericano US 5.520.532 desvela una porción de molde de polímero reforzado con fibra de rigidez variable, siendo obtenida la citada rigidez variando el número de capas del fieltro de fibras.

El documento norteamericano US 4.077,740 desvela una pala de de rotor de un helicóptero de un material compuesto de fibras, variando la rigidez de la pala cuando se visualiza en la dirección longitudinal. Esta característica se obtiene variando la orientación de las fibras con el fin de obtener una amortiguación mejorada de las vibraciones.

El peso muerto de las modernas palas de fibra de vidrio constituye un problema puesto que un peso muerto elevado requiere una alta resistencia a la fatiga en la dirección del borde de la pala. Este problema aumenta con la longitud de las palas.

Breve descripción de la invención

El objeto de la invención es resolver el problema anterior de una manera simple y barata.

De acuerdo con la invención, se alcanza el objeto puesto que la pala se divide en una porción extrema interior que incluye la raíz de la pala y que está hecha substancialmente de polímero reforzado con fibra de vidrio y una porción extrema exterior que incluye la punta de la pala y que está hecha sustancialmente de polímero reforzado con fibra de carbono. De esta manera, el peso se reduce en la parte más exterior, con lo cual el momento producido por el peso muerto se reduce al mínimo. Por lo tanto, se requiere menor cantidad de material y una sección transversal más pequeña en la porción más interior de la pala y la carga sobre el cubo de la turbina se reduce. La porción más exterior de la pala, además, podría tener una rigidez incrementada, de manera que se reduce el riesgo de que la pala deflecte tan fuertemente para que la punta de la pala golpee la torre de la turbina. Esta pala de turbina eólica es más barata de producir que una pala fabricada exclusivamente de polímero reforzado con fibra de carbono.

En un cierto grado de rigidez, el peso muerto se puede reducir mediante el uso de fibras de carbono en la porción extrema exterior, con lo cual las cargas dinámicas en la carcasa de la pala y en la raíz de la pala también se pueden reducir, siendo especialmente sensibles las citadas partes a las cargas dinámicas.

Al cambiar el contenido de fibras de carbono en la porción extrema exterior o la longitud de las mismas, la rigidez así como las frecuencias propias pueden ser variadas. Por lo tanto, la rigidez y las frecuencias propias pueden ser optimizadas para las condiciones específicas.

Una porción extrema exterior comparativamente rígida y una porción extrema interior comparativamente menos rígida producen una forma de deflexión ventajosa en lo que se refiere a la amortiguación aerodinámica, dependiendo la amortiguación de la deflexión integrada a lo largo de la pala durante una vibración. Una amortiguación aerodinámica incrementada tiene la ventaja de que la carga aerodinámica se reduce como consecuencia.

En comparación con una pala fabricada exclusivamente de polímero reforzado con fibra de vidrio o una pala fabricada exclusivamente de polímero reforzado con fibra de carbono, una pala de acuerdo con la invención ofrece una relación óptima de rigidez con respecto a los costes.

De acuerdo con una realización, la porción extrema exterior puede constituir entre el 25% y el 50% de la longitud completa de la pala.

Sin embargo, la porción extrema exterior puede constituir el 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% o incluso el 90% de la longitud de la pala.

De acuerdo con una realización preferida, la porción extrema exterior opuesta a la punta de la pala puede incluir una zona de transición en la cual las fibras de carbono son reemplazadas progresivamente por fibras de vidrio. Como resultado, se evita un cambio abrupto en la rigidez de la pala en el área de transición entre las fibras de carbono y las fibras de vidrio. Con tensiones dinámicas o estáticas fuertes, una transición abrupta entre las fibras de carbono y las fibras de vidrio provoca una concentración de esfuerzos, siendo típicamente las fibras de carbono 34 veces más rígidas que las fibras de vidrio. Esto puede implicar un riesgo de destrucción de la pala. Mediante el uso de una zona de transición de este tipo, se evita una concentración de tensiones fuertes en la superficie límite entre las fibras de carbono y las fibras de vidrio.

De acuerdo con una realización, la longitud de la zona de transición puede ser de entre 0,5 m y 1 m. No obstante, una longitud de hasta 10 m o incluso más de 10 m también podría ser preferida.

De acuerdo con la invención, los dos tipos de fibras pueden ser distribuidos de manera que en la matriz polimérica, las fibras de carbono o los haces de fibras de carbono de diferentes longitudes se extiendan desde un primer extremo de la zona de transición, y las fibras de vidrio o los haces de fibras de vidrio se extiendan desde el extremo opuesto de la zona de transición, con lo que se obtiene una transición particularmente suave de la rigidez.

De acuerdo con otra realización, la zona de transición puede estar formada por un laminado de varias capas de fibras, en el que cada capa de fibras tiene una superficie límite en una posición en la dirección longitudinal, incluyendo la capa de fibras, fibras de carbono en un lado de la superficie límite y fibras de vidrio en el otro lado de la superficie límite, estando desplazadas las superficies límite en sus relaciones entre sí en la dirección longitudinal de la pala. Como resultado, se obtiene un cambio gradual de rigidez en la zona de transición...

1. Pala (14) de turbina eólica de polímero reforzado con fibras, que se caracteriza porque está dividida en una porción extrema interior (15) que incluye la raíz de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con fibra de vidrio, y una porción extrema exterior (17) que incluye la punta de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con fibra de carbono.

2. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque la porción extrema exterior (17) constituye entre el 25% y el 50% de la longitud total de la pala (14).

3. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, que se caracteriza porque la porción extrema exterior (17) opuesta a la punta de la pala incluye una zona de transición (16) en la que las fibras de carbono son sustituidas gradualmente por fibras de vidrio.

4. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 3, en la que la longitud de la zona de transición (16) está comprendida entre 0,5 m y 1 m.

5. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 3 ó 4, que se caracteriza porque los dos tipos de fibras se distribuyen en la matriz polimérica de tal manera que las fibras de carbono o los haces de fibra de carbono (1) con diferentes longitudes se extienden desde un primer extremo de la zona de transición (II) y las fibras de vidrio o los haces de fibra de vidrio (2) se extienden desde el extremo opuesto de la zona de transición (II).

6. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 3 ó 4, que se caracteriza porque la zona de transición (II) está formada por un laminado de varias capas de fibras (6, 7), en el que cada capa de fibras tiene una superficie límite (10) en una posición en la dirección longitudinal, la capa de fibras incluye fibras de carbono (6) en un lado de la superficie límite y fibras de vidrio (7) en el otro lado de la cara límite, las superficies límite (10) de cada una de las capas de fibras son desplazadas una en relación con la otra en la dirección longitudinal de la pala (14).

7. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 6, en la que las superficies límite (11) tienen bordes dentados en una vista seccionada paralela a las capas de fibras (3, 4, 5).

8. Pala de turbina eólica, de acuerdo con la reivindicación 7, en la que las puntas (12) de las superficies límite (11) de bordes dentados se encuentran desplazadas una en relación con la otra en la dirección transversal de la pala (14).