Zona de transición en pala de turbina eólica.

Pala de turbina eólica de polímero reforzado con fibras que incluye un primer tipo de fibras (1,

3, 6) de unaprimera rigidez y un primer alargamiento a rotura, y un segundo tipo de fibras (2, 5, 7) de una rigidez diferente y unalargamiento a rotura diferente, caracterizada por que los dos tipos de fibras están distribuidas en la matrizpolimérica y por que, cuando se observa en una vista en sección perpendicular a la dirección longitudinal de la pala,la relación cuantitativa de los dos tipos de fibras varía continuamente en la dirección longitudinal de la pala.

Zona de transición en pala de turbina eólica

Campo técnico

La invención se refiere a una pala de turbina eólica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y a un laminado prefabricado de transición de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 14.

Las palas de turbinas eólicas se fabrican típicamente por medio de dos mitades de carcasa de la pala de polímero reforzado con fibra. Cuando se moldean las dos mitades se pegan juntas a lo largo de los bordes y por medio de dos elementos de arriostramiento, que anteriormente han sido pegados a la cara interna de una de las mitades de carcasa de la pala. La otra mitad de carcasa de la pala se dispone entonces en la parte superior de los elementos de arriostramiento y se pega a la misma y a lo largo de los bordes.

Las mitades de carcasa de la pala típicamente están fabricadas, per se, por infusión al vacío, en las que las fibras, mechas, que son manojos de fibras, bandas de mechas o esteras, que pueden ser esteras de fieltro de fibras o esteras de fibras individuales o tejidas de mechas de fibra, uniformemente distribuidas, se disponen en capas en una parte de molde y en la cubierta por una bolsa de vacío. Al crear vacío (normalmente 80-90%) en la cavidad entre la cara interna de la parte de molde y la bolsa de vacío, la resina se aspira en y llena la cavidad que contiene el material de fibra. Para obtener la distribución óptima de la resina, se utilizan a menudo las denominadas capas de distribución y canales de distribución entre la bolsa de vacío y el material de fibra.

El polímero utilizado es típicamente poliéster o epoxi, y el refuerzo de fibra se basa, generalmente, en fibra de vidrio. Sin embargo, también se conoce el uso de fibras de carbono que son más rígidas que las fibras de vidrio, pero tienen un menor alargamiento a rotura que las fibras de vidrio. Las fibras de carbono se pueden añadir para obtener un mayor grado de rigidez y/o un peso inferior. Por tanto, es posible dejar que una porción del refuerzo de fibra se forme de fibras de carbono para reducir el peso de la pala sin que la pala pierda demasiada rigidez. Las fibras de carbono, sin embargo, se ven entorpecidas por el inconveniente de ser significativamente más costosas que las fibras de vidrio, lo que es una de las razones por las que las palas de turbinas eólicas de polímero reforzado con fibras de carbono no son ampliamente utilizadas. Otros tipos de fibras de refuerzo, por ejemplo, fibras de aramida (Kevlar®) y otros tipos de fibras de plástico, fibras naturales, por ejemplo, fibras de cáñamo y fibras de lino pueden utilizarse también para la fabricación de palas de turbinas eólicas.

Antecedentes de la técnica A partir de los documentos WO 98/53200 y WO 00/79128 se sabe cómo proporcionar una carcasa de la pala de turbina eólica de polímero reforzado con fibras de vidrio con una capa de fibra de carbono, cuyas propiedades eléctricamente conductores pueden ser utilizadas para el calentamiento de la pala para la descongelación de hielo en las mismas. La capa de fibra de carbono puede estar incrustada en el laminado de fibra de vidrio.

A partir del documento WO 00/14405 se sabe cómo reforzar una pala de turbina eólica de polímero de fibra de vidrio con tiras longitudinales de polímero reforzado con fibras de carbono. La misma publicación revela los denominados materiales compuestos híbridos, en los que una mezcla de fibras de vidrio y fibras de carbono se ha utilizado como refuerzo de fibra.

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

El documento US 5.520.532 revela una parte de molde de polímero reforzado con fibras de rigidez variable, obteniéndose dicha rigidez variando el número de capas de esteras de fibra.

El documento US 4.077.740 revela un álabe de helicóptero de un material compuesto de fibras, variando la rigidez de la pala cuando se ve en dirección longitudinal. Esta característica se obtiene variando la orientación de las fibras para obtener una mayor amortiguación de las vibraciones.

La rigidez de una pala de turbina eólica depende, por supuesto, del espesor de la carcasa, de la geometría en sección transversal y del material. Las dimensiones en sección transversal de la pala de turbina eólica y el espesor de la carcasa varían en la dirección longitudinal de la pala. Naturalmente, las mayores dimensiones en sección transversal se encuentran en la raíz de la pala, en la que la sección transversal de la pala es, a menudo, sustancialmente circular. Además a lo largo de la pala, adopta una forma más plana, que corresponde sustancialmente a una elipse.

Como se ha mencionado anteriormente, se sabe cómo combinar tipos de fibra en el laminado para obtener las propiedades o compromisos deseados entre las propiedades de los diferentes tipos de fibras en cuanto al peso, rigidez y alargamiento a rotura. La construcción de una pala que tiene diferentes propiedades del material en la dirección longitudinal de la pala puede, sin embargo, también ser deseable. Las fibras de carbono son ventajosas debido a su rigidez y baja densidad, pero son por otro lado costosas en comparación con las fibras de vidrio. Por consiguiente, puede ser deseable utilizar refuerzos de fibra de carbono, puesto que el uso de las mismas es más ventajoso. Por lo tanto, puede ser ventajoso reforzar la porción más exterior de la pala con fibras de carbono y la porción más interior de la pala con fibras de vidrio para reducir el peso en la porción más exterior y minimizar con ello el momento de carga muerta. Menos material y/o una sección transversal menor se requieren, por tanto, 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 puede estar, además, provista de una mayor rigidez, con lo que se reduce el riesgo de que la pala sufra una fuerte deflexión de forma que la punta de la pala impacte sobre la torre de la turbina. Los problemas con la carga muerta elevada y la rigidez insuficiente han aumentado en los últimos años, puesto que la longitud de las palas de turbinas eólicas ha aumentado continuamente. Esta tendencia parece continuar en el futuro.

Para reducir el tamaño de las bridas de montaje y similares, puede surgir una demanda de pequeñas dimensiones en la sección transversal en la raíz de la pala. El peso total de la pala puede reducirse considerablemente mediante el uso de fibras de carbono como material de refuerzo para la porción más interior de la pala, es decir, para encástrela raíz de la pala.

Otros tipos de fibras, por ejemplo, fibras a base de celulosa, tales como fibras de cáñamo o fibras de lino son materiales potenciales para el refuerzo de palas de turbinas eólicas.

Pueden existir también otras razones para proporcionar diferentes posiciones en las palas de turbinas eólicas con diferentes tipos de fibras de refuerzo. Si dos zonas de una pala de turbina eólica, que están yuxtapuestas en la dirección longitudinal, están reforzadas con tipos de fibras diferentes entre sí y con rigidez y alargamiento a rotura diferentes, a la pala se le proporciona un cambio abrupto en su rigidez. En cargas dinámicas o estáticas pesadas, la mayor parte de la tensión que se recibe en las porciones más exteriores de las fibras más rígidas lo que da como resultado un alto riesgo de que estas fibras y, por lo tanto, la pala se destruyan. Dicho de otra manera, una deflexión de la pala provoca una concentración de pesadas tensiones en la superficie límite entre las dos zonas en la zona que tiene las fibras más rígidas. El problema es particularmente grave bajo cargas dinámicas a las que las palas de turbinas eólicas están sometidas.

Descripción de la invención El objeto de la invención es proporcionar una pala de turbina eólica de polímero reforzado con fibras que incluya un primer tipo de fibras de una primera rigidez y un primer alargamiento a rotura, y un segundo tipo de fibras de una rigidez diferente y un alargamiento a rotura diferente, en la que las áreas de la pala puedan ser optimizadas en cuanto resistencia, carga muerta y la rigidez verse entorpecidas por efectos adversos, tales como un cambio abrupto en la rigidez.

De acuerdo con la invención, el objeto se obtiene ya que los dos tipos de fibras son así distribuidos en la matriz de polímero cuya relación cuantitativa de los dos tipos de fibras varía continuamente en la dirección longitudinal de la pala. En este contexto, la expresión "continuamente" debe entenderse en un sentido amplio y, por lo tanto,... [Seguir leyendo]

1. Pala de turbina eólica de polímero reforzado con fibras que incluye un primer tipo de fibras (1, 3, 6) de una primera rigidez y un primer alargamiento a rotura, y un segundo tipo de fibras (2, 5, 7) de una rigidez diferente y un alargamiento a rotura diferente, caracterizada por que los dos tipos de fibras están distribuidas en la matriz polimérica y por que, cuando se observa en una vista en sección perpendicular a la dirección longitudinal de la pala, la relación cuantitativa de los dos tipos de fibras varía continuamente en la dirección longitudinal de la pala.

2. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el primer tipo de fibras son las fibras de vidrio

(1) y el segundo tipo de fibras son las fibras de carbono (2) .

3. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que la relación cuantitativa aumenta o disminuye continuamente de un primer nivel a un segundo nivel.

4. Pala de turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-3, caracterizada por que la relación cuantitativa varía continuamente en una zona de transición de una longitud menor que la longitud de la pala.

5. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada por que la zona de transición se proporciona entre una primera zona (I) y una segunda zona (III) , teniendo ambas de dichas zonas una relación cuantitativa sustancialmente uniforme entre los dos tipos de fibras.

6. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la longitud de la zona de transición (II) está comprendida entre 0, 5 y 1 metro.

7. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4, en la que la pala está dividida en la zona de transición

(II) que incluye la raíz de la pala y una zona adicional que incluye el resto de la pala.

8. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4, en la que la pala está dividida en la zona de transición (II) que incluye la punta de la pala y una zona adicional que incluye el resto de la pala.

9. Pala de turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones 4-8, caracterizada por que las fibras o manojos de fibras del primer tipo (1) con diferentes longitudes se extienden desde un primer extremo de la zona de transición (II) y las fibras o manojos de fibras del segundo tipo (2) se extienden desde el extremo opuesto de la zona de transición (II) .

10. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada por que la zona de transición (II) está formada por un laminado de varias capas de fibras (6, 7) , en la que cada capa de fibras tiene una superficie límite

(10) en una posición en la dirección longitudinal, incluyendo la capa de fibras las fibras del primer tipo (6) en un lado de la superficie límite y las fibras del segundo tipo (7) en el otro lado de la cara límite, estando las superficies límite

(10) de cada capa de fibras desplazadas en relación con las otras capas en la dirección longitudinal de la pala.

11. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 10, en la que las superficies límite (11) tienen bordes dentados cuando se observan en una vista en sección paralela a las capas de fibras (3, 4, 5) .

12. Pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 11, en la que las puntas (12) de las superficies límite (11) dentadas están desplazadas unas en relación con otras en la dirección transversal de la pala.

13. Pala de turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los dos tipos de fibras (1, 2, 3, 5, 6, 7) están distribuidas en bandas de refuerzo que se extienden en la dirección longitudinal de la pala, teniendo las porciones restantes de la sección transversal de la pala un contenido constante de las fibras del primer tipo (1, 3, 6) y/o del segundo tipo (2, 5, 7) .

14. Preforma de carcasa de transición prefabricada para la fabricación de la carcasa de una pala de turbina eólica, estando dicha preforma de carcasa de transición fabricada de polímero reforzado con fibras que incluye un primer tipo de fibras (1, 3, 6) de una primera rigidez y de un primer alargamiento a rotura, y de un segundo tipo de fibras (2, 5, 7) de una rigidez diferente y de un segundo alargamiento a rotura, caracterizada por que los dos tipos de fibras están distribuidas en la matriz polimérica y que, cuando se observa en una vista en sección perpendicular a la dirección longitudinal de la pala, la relación cuantitativa varía continuamente en la dirección longitudinal de la preforma de carcasa de transición.

15. Preforma de carcasa de transición prefabricada de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizada por que está conformada como una banda para el refuerzo de las áreas de la carcasa de la pala que forman los lados de presión y aspiración de la pala y que están más lejos del centro de la sección transversal de la pala.