Pala reforzada para aerogenerador.

Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal que comprendeuna concha,

una primera viga maestra (21) conectada a una parte superior (25) y una parte inferior (26) de la concha, ycaracterizada porque

se sitúa un miembro de refuerzo recto (24) para inhibir la distorsión cortante transversal de la pala (20) en unasección transversal de la pala y está conectado a

la primera viga maestra (21) en una conexión entre la primera viga (21) y la concha en una de las partessuperior (25) e inferior (26) de la concha, y conectada a

la otra de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha a una distancia de la viga maestra (21).

Pala reforzada para aerogenerador

La presente invención se refiere a una pala reforzada para un aerogenerador de eje horizontal, de forma particular a una pala que tiene miembros de refuerzo para reforzar uno o más miembros estructurales en la pala, con el fin de evitar una distorsión cortante transversal de la pala cuando está cargada en funcionamiento.

Normalmente, una pala de aerogenerador tiene una concha aerodinámica y una viga maestra, tal como una viga o un larguero. La viga maestra puede ser una sola viga, pero a menudo se utilizan dos vigas maestras. Las dos vigas maestras junto con las partes de la concha se extienden entre las dos vigas maestras formando un perfil denominado cajeado. La parte superior y la parte inferior del perfil cajeado, a menudo se refieren como tapas. Algunos tipos de palas están diseñados con un larguero en forma de perfil cajeado, el cual se fabrica de forma separada y se adhiere entre la superficie de las conchas prefabricadas. La concha aerodinámica está fabricada, normalmente, de plástico reforzado con fibra, fibra de vidrio y/u otros materiales. Normalmente, la concha aerodinámica está hecha de dos partes de concha que son ensambladas para formar la concha.

Bajo condiciones de funcionamiento normales, la pala del aerogenerador está sometida a cargas en un ángulo en una dirección frontal. Es normal descomponer esta carga en sus componentes en la dirección frontal y de canto. La dirección frontal es una dirección sustancialmente perpendicular a un eje transversal a través de una sección transversal de la pala. La dirección frontal puede, por lo tanto, estar constituida como la dirección, o la dirección opuesta / inversa, en la cual la elevación aerodinámica actúa sobre la pala. Las cargas de canto se producen en una dirección perpendicular a la dirección frontal. La pala está además sometida a cargas de torsión que son principalmente cargas aerodinámicas y cargas de inercia. Estas cargas pueden someter a la pala a movimientos armónicos u oscilaciones a la frecuencia natural de torsión de las palas; véase la figura 1 para una indicación de las cargas y las direcciones.

Durante el funcionamiento de la pala, las fuerzas cortantes transversales son generadas en la pala por las cargas frontales y de canto. Las fuerzas cortantes transversales están indicadas en una sección transversal típica de la pala mostrada en la figura 2a. Las fuerzas cortantes transversales son provocadas por las cargas frontal y de canto a causa de la geometría asimétrica típica y la distribución de material de la pala. Además, el hecho de que las cargas frontal y de canto no actúen a través del centro cortante de la pala contribuye a la generación de fuerzas cortantes transversales.

En un perfil cajeado, las fuerzas cortantes transversales provocan momentos de flexión en plano altos en las esquinas del perfil cajeado. Los momentos de flexión pueden ser contrarrestados incrementando el espesor del material del perfil cajeado en las esquinas, pero el aumento del espesor afecta de forma negativa al peso de la pala sin una contribución justificada a la resistencia.

En las palas de aerogenerador en las que las vigas maestras son fabricadas de forma separada y se unen a las partes de la concha, se producen limitaciones en el proceso de fabricación para espesores de material pequeños, en la sección de la viga maestra que está conectada a la parte de la concha y por lo tanto esta parte de la pala tiene una rigidez de flexión baja.

La rigidez de flexión baja de las esquinas del perfil cajeado combinada con los elevados momentos de flexión en la misma zona, significan que el perfil cajeado se distorsiona fácilmente por las fuerzas cortantes transversales, a pesar del hecho de que el lateral, la parte superior y la parte inferior del perfil cajeado pueden ser relativamente gruesos.

Un ejemplo del resultado de la distorsión cortante transversal causada por las fuerzas cortantes transversales se muestra la figura 2b. La distorsión, por lo tanto cambia la forma de la pala y esto tiene un efecto negativo en la resistencia final de la pala. Si la distorsión cortante transversal excede un cierto límite, el cual depende de la geometría y de la distribución de material de la pala, se reduce la resistencia a la presión por aplastamiento de la pala y puede suceder un colapso repentino de la pala. La presión por aplastamiento es provocada por las cargas frontales y sucede en el perfil cajeado de la pala debido a su curvatura longitudinal. Este efecto es referido a menudo como ovalización, véase la figura 3. Para una explicación adicional de los efectos de la presión por aplastamiento, se hace referencia el artículo “Ensayo estructural y simulación numérica de una pala de aerogenerador de material compuesto de 34 m” por F. M. Jensen y otros, publicado por Elsevier en Estructuras de Materiales Compuestos 76 (2006) 52-61.

Además, una deformación de la viga maestra en la conexión entre la viga maestra y la concha puede llevar a un fallo por fatiga de la viga maestra o un fallo por fatiga en la conexión entre la viga maestra y la concha, o ambos.

US 4, 976, 587 describe una pala de aerogenerador que comprende una concha, una primera viga maestra y una segunda viga maestra, y dos miembros de refuerzo que aumentan la longitud de la pala para inhibir la distorsión cortante transversal de la pala, en donde cada uno de los miembros de refuerzo está conectado a respectivas primera y segunda vigas maestras en una conexión entre la respectiva viga maestra y la concha tanto a la parte superior como la parte inferior de la concha y en donde cada uno de los miembros de refuerzo determina una barra angular en forma de “C” que sobresale de la respectiva viga maestra y con patas que sobresalen de la parte superior y de la parte inferior, respectivamente, de la concha.

Otra pala de turbina de eje horizontal se describe en US 4, 339, 230.

Por tanto, hay una necesidad de una pala de aerogenerador en la cual la configuración estructural del perfil de la pala esté diseñada contra la distorsión cortante transversal y en donde la estructura de la pala esté generalmente reforzada sin incrementar el peso total. Es además deseable proporcionar una pala de aerogenerador con una rigidez a torsión elevada.

Es por lo tanto un objeto de la invención proporcionar una pala de aerogenerador que esté diseñada contra la distorsión cortante transversal por fuerzas cortantes transversales provocadas por cargas frontales y de canto sobre la pala.

Es también un objeto de la presente invención proporcionar un perfil de pala reforzado para una pala de aerogenerador.

Es un objeto adicional proporcionar una pala de aerogenerador con una rigidez a torsión elevada, la cual reducirá las cargas de inercia dinámicas de la pala en las otras partes estructurales del aerogenerador, tales como la caja de cambios y la torre.

Es por lo tanto un objeto de la presente invención proporcionar una pala de aerogenerador con una resistencia mejorada contra las deformaciones del perfil de la pala.

Es otro objeto más de la presente invención proporcionar una pala de aerogenerador con una resistencia y una rigidez total elevada.

Es otro objeto más de la presente invención proporcionar una pala de aerogenerador con una resistencia al fallo por fatiga elevada.

Es otro objeto más de la presente invención proporcionar una pala de aerogenerador, la cual pueda fabricarse a un coste de fabricación reducido en comparación con las soluciones existentes.

Es aún otro objeto más de la invención proporcionar una pala de aerogenerador capaz de trabajar bajo cargas aerodinámicas severas y de optimizar la estabilidad aerodinámica, por ejemplo, la estabilidad aeroelástica de la pala.

Es además un objeto de la presente invención proporcionar alternativas al estado de la técnica.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, los objetos mencionados anteriormente y otros objetos son cumplidos por una pala de aerogenerador de eje horizontal de acuerdo con la reivindicación 1.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, los objetos mencionados anteriormente y otros objetos son cumplidos por un método de acuerdo con la reivindicación 12.

Una pala de aerogenerador de eje horizontal que tiene un miembro de refuerzo de acuerdo con la presente invención reduce la distorsión cortante transversal del perfil y por lo tanto aumenta la resistencia de la pala a la presión por aplastamiento y por consiguiente aumenta la resistencia final de la pala de aerogenerador. Además, la eficiencia aerodinámica de la pala también se mejora dado que la forma elegida del perfil de la... [Seguir leyendo]

1. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal que comprende una concha, una primera viga maestra (21) conectada a una parte superior (25) y una parte inferior (26) de la concha, y caracterizada porque se sitúa un miembro de refuerzo recto (24) para inhibir la distorsión cortante transversal de la pala (20) en una sección transversal de la pala y está conectado a la primera viga maestra (21) en una conexión entre la primera viga (21) y la concha en una de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha, y conectada a la otra de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha a una distancia de la viga maestra (21) .

.Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según la reivindicación 1, que además comprende una segunda viga maestra (21) y en donde el miembro de refuerzo (24) es un primer miembro de refuerzo recto (24) que interconecta la primera y segunda viga maestras (21) entre una conexión entre la primera viga maestra (21) y la concha en una de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha y una conexión entre la segunda viga maestra (21) y la concha en la otra de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha.

3. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según la reivindicación 2, que además comprende un segundo miembro de refuerzo recto (24) que interconecta la primera y la segunda vigas maestras (21) entre una conexión entre la primera viga maestra (21) y la concha en una de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha que es opuesta a la conexión del primer miembro de refuerzo recto (24) con la primera viga maestra (21) y una conexión entre la segunda viga maestra (21) y la concha en otra de las partes superior (25) e inferior (26) de la concha, en donde el primer y segundo miembros de refuerzo rectos (24) forman una cruz en una sección transversal de la pala.

4. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según la reivindicación 3, en donde el primer y segundo miembros de refuerzo rectos conforman un miembro de refuerzo (24) con forma de “X” que interconecta la parte superior (25) de la concha con la parte inferior (26) de la concha, en los respectivos puntos de conexión de las vigas maestras (21) a las partes superior e inferior (25, 26) de la concha.

5. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según la reivindicación 4, en donde el miembro de refuerzo (24) con forma de “X” está fabricado en una pieza.

6. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según la reivindicación 5, en donde el miembro de refuerzo (24) con forma de “X” (24) y las vigas maestras (21) están dispuestos como un único miembro integrado.

7. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según las reivindicaciones 3-6, en donde las vigas maestras

(21) forman un perfil cajeado y el miembro de refuerzo recto (24) conecta dos regiones de esquina diagonalmente opuestas (32, 33; 34, 35) del perfil cajeado.

8. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el miembro de refuerzo recto (24) comprende al menos un elemento seleccionado entre el grupo que consiste en una placa, una varilla (24a, 24b) , un cable, una cuerda, un tubo, un textil o un tejido.

9. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de miembros de refuerzo rectos (24) situados distanciados a lo largo de la extensión longitudinal de la pala (20) con una distancia mutua que es menos que 2xD, en donde D es la distancia de las conexiones opuestas de uno de la pluralidad de miembros de refuerzo (24) a la parte superior (25) y a la parte inferior (26) de la concha, respectivamente.

10. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos un miembro de refuerzo comprende una placa laminada (47) .

11. Una pala (20) de aerogenerador de eje horizontal según la reivindicación 10, en donde la placa laminada (47) es una construcción tipo sándwich.

12. Un método para inhibir la distorsión cortante transversal en una pala (20) de aerogenerador según la reivindicación 1, que comprende una concha, una primera viga maestra (21) , en donde la primera viga maestra (21) está conectada a una parte superior (25) de la concha y a una parte inferior (26) de la concha, caracterizado porque el método comprende las etapas de proporcionar un miembro de refuerzo recto (24) con un primer extremo y un segundo extremo opuesto, y conectar, en una sección transversal de la pala, el primer extremo a la primera viga maestra (21) en la conexión entre la primera viga maestra (21) y la concha, en la parte superior (25) o en la parte inferior (26) de la concha, y conectar el segundo extremo de la parte opuesta de la concha a una distancia de la viga maestra (21) .