ES2668790T3 - Viga de material compuesto estructural modular - Google Patents

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Abstract

Una brida de plástico reforzado con fibra modular para una viga de material compuesto estructural, para su uso en una pala de turbina eólica, que comprende: un cuerpo (42) formado por una pluralidad de elementos alargados (40, 140) preformados comprendiendo cada uno predominantemente un plástico reforzado con fibra uniaxial y disponiéndose en una matriz de manera que los ejes longitudinales de los elementos alargados preformados estén sustancialmente paralelos entre sí, en el que las dimensiones del cuerpo se determinan sustancialmente por el número y disposición de los elementos alargados preformados en la matriz y en el que al menos dos de los elementos alargados preformados difieren entre sí en que comprenden materiales diferentes; y un miembro de revestimiento (20, 30, 120, 130, 230) que rodea al menos parcialmente una pluralidad de los elementos preformados en la matriz.

Description

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DESCRIPCION
Viga de material compuesto estructural modular
La presente invención se refiere a una brida de plástico reforzado con fibra modular para una viga de material compuesto estructural para su uso en una pala de turbina eólica.
Se construyen palas de turbinas eólicas grandes (> 35 m de longitud) normalmente mediante la formación de una viga voladiza de refuerzo y rigidez o una caja de larguero dentro de un carenado aerodinámico. El enfoque actual para la fabricación de palas de turbina eólica es producir cada pala como dos mitades de cubierta con una viga separada o como dos mitades de cubierta con una viga integral. En ambos casos, las dos mitades de cubierta se unen entre sí a lo largo de sus bordes para formar la pala completa.
La viga estructural comprende bridas en cada extremo, que se conectan entre sí por una o más, habitualmente dos, almas de cizalla. Las bridas están fabricadas de plástico reforzado con fibra predominantemente unidireccional y las almas de cizalla consisten predominantemente en plástico reforzado con fibra multiaxial (+/- 45 °).
Se conoce bien en la técnica la fabricación de la viga mediante el moldeo de las bridas dentro de las mitades de cubierta del carenado aerodinámico y después la unión de las bridas entre sí con las almas de cizalla cuando los carenados aerodinámicos se juntan entre sí. Como alternativa, la viga se fabrica mediante el moldeo de una viga separada sobre una herramienta separada y después la unión de la viga dentro de los carenados aerodinámicos cuando se juntan entre sí.
Estos procedimientos tienen cada uno un número de inconvenientes. En primer lugar, si la brida unidireccional de la viga se moldea dentro del carenado es difícil controlar con precisión la calidad del material de la brida. Esto normalmente da como resultado propiedades mecánicas malas del material de la brida conduciendo, a su vez, a aumento de la masa requerida para someter a estudio técnico la seguridad y, por tanto, un mayor coste.
Si la viga se fabrica por separado mediante moldeo en una herramienta separada pueden evitarse algunas de las deficiencias anteriores. Sin embargo, el coste de la herramienta separada aumenta el coste global del componente.
En cualquier caso, si se requiere un nuevo diseño o una ligera variación del diseño, es necesario fabricar herramientas completamente nuevas, aumentando de este modo el tiempo y el coste de la creación de prototipos y aumentando también el coste de introducción de nuevos modelos. De forma similar, si se considera el uso de automatización, el coste de la automatización será alto puesto que entonces habrá de ser capaz de hacer frente a un número de diferentes diseños y geometrías de viga.
Un diseño para una pala de turbina eólica modular se describe en la solicitud de patente internacional publicada del solicitante WO 2009/034291. Esta solicitud desvela una pala de turbina eólica que comprende una pluralidad de partes componentes estandarizadas que permiten una mayor flexibilidad de diseño, para la pala como un todo, que las técnicas de fabricación tradicionales. Sin embargo, solo proporciona opciones limitadas para la modificación del diseño de la viga estructural. Es un objetivo de la presente invención para proporcionar una viga de material compuesto estructural modular que proporcione una flexibilidad y calidad del diseño mejoradas y que pueda usarse como parte de una pala de turbina eólica tradicional, como parte de una pala de turbina eólica modular o en otras aplicaciones estructurales tales como puentes. El documento WO 2005/011964 A1 desvela el uso de miembros alargados preformados para formar una estructura de soporte para una pala de turbina eólica.
El documento WO 97/30651 desvela el uso de miembros alargados preformados para formar un dispositivo de fijación externo con anillos de material compuesto. En consecuencia, en un primer aspecto, la presente invención proporciona una brida de plástico reforzado con fibra modular para una viga de material compuesto estructural de acuerdo con la reivindicación 1. Mediante la construcción del cuerpo de la brida a partir de una pluralidad de elementos alargados con un revestimiento exterior, el diseño de la brida puede variarse fácilmente mediante la variación del tamaño y la configuración de la matriz de elementos alargados y miembro de revestimiento. La provisión de un miembro de revestimiento también proporciona un rendimiento de la carga de cizalla mejorado. Además, como al menos dos de los elementos alargados comprenden diferentes materiales, las propiedades mecánicas de la brida pueden variarse fácilmente.
En una realización preferida, el miembro de revestimiento rodea completamente la matriz de elementos alargados para proporcionar soporte e integridad estructural adicionales.
El miembro de revestimiento comprende preferentemente un primer y un segundo elemento de revestimiento, teniendo el primer elemento de revestimiento una forma cóncava y disponiéndose el segundo elemento de revestimiento para que encaje dentro del primer elemento de revestimiento. Esta disposición permite que el cuerpo se coloque en el primer elemento de revestimiento antes de que el segundo elemento de revestimiento se ajuste para completar el miembro de revestimiento. De esta manera, el espesor del cuerpo puede variarse con poca o ninguna variación de las dimensiones del miembro de revestimiento.
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Preferentemente, el miembro de revestimiento comprende un zócalo para recibir, en uso, un alma de cizalla. Esto proporciona un procedimiento conveniente de fijación de la brida al alma de cizalla y de transferencia de cargas entre la brida y el alma de cizalla.
Con el fin de mejorar adicionalmente el rendimiento de la carga de cizalla, al menos una capa de refuerzo se sitúa preferentemente al menos parcialmente dentro de la matriz de elementos alargados.
En un segundo aspecto, la presente invención proporciona una viga de material compuesto estructural de acuerdo con la reivindicación 6. El alma de cizalla comprende preferentemente un núcleo estructural situado entre dos capas de material compuesto para proporcionar integridad estructural adicional. Las capas de material compuesto son preferentemente de material compuesto multiaxial. El alma de cizalla es ventajosa ya que puede ensamblarse en la brida como un panel intercalado 'abierto' ya que el panel está terminado en el zócalo del miembro de revestimiento. Esto significa que el alma o las almas de cizalla pueden fabricarse en un procedimiento de producción continuo en oposición a un procedimiento de moldeo individual (que de otro modo requeriría 'cerrar' los extremos del panel intercalado), reduciendo de este modo los costes de producción y aumentando la flexibilidad.
En un tercer aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de formación de una brida de plástico reforzado con fibra modular para una viga de material compuesto estructural de acuerdo con la reivindicación 8. El procedimiento preferentemente comprende adicionalmente: la selección de un número y disposición de elementos alargados para definir las dimensiones del cuerpo; y la selección de un miembro de revestimiento que se dimensiona para que se ajuste sustancialmente a las dimensiones del cuerpo. De esta manera pueden formarse fácilmente bridas de dimensiones y propiedades mecánicas variables a partir de componentes estandarizados sin la necesidad de volver a fabricarlas.
Preferentemente, el miembro de revestimiento comprende un primer y un segundo elemento de revestimiento, teniendo el primer elemento de revestimiento una forma cóncava y disponiéndose el segundo elemento de revestimiento para que encaje dentro del primer elemento de revestimiento; comprendiendo adicionalmente el procedimiento: la localización del cuerpo dentro del primer elemento de revestimiento; y la localización del segundo elemento de revestimiento dentro del primer elemento de revestimiento para formar un miembro de revestimiento que rodea completamente el cuerpo.
En un cuarto aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de formación de una viga estructural de material compuesto que comprende: el uso del procedimiento del tercer aspecto de la invención; y la conexión de al menos un alma de cizalla al miembro de revestimiento de la brida modular.
Preferentemente, en el procedimiento del tercer aspecto de la invención, o en el procedimiento del cuarto aspecto de la invención, cada parte componente de la brida modular o viga de material compuesto estructural se fabrica en un procedimiento de producción continuo. Esto reduce los costes de producción y mejora la calidad puesto que los procedimientos de producción continuos consumen menos tiempo y mano de obra y son más repetibles, reduciendo de este modo el derroche.
Antes de los procedimientos de realizar los aspectos tercero o cuarto de la invención, los elementos alargados y el miembro de revestimiento de la brida modular y la al menos un alma de cizalla de la viga de material compuesto estructural, están preferentemente en un estado curado o semicurado y presentan su forma final. Por tanto, la forma y dimensiones de los elementos alargados, el miembro de revestimiento y las almas de cizalla se fijan sustancialmente antes de ensamblar la brida modular o la viga de material compuesto estructural. Además, las principales propiedades mecánicas de los elementos alargados, el miembro de revestimiento y las almas de cizalla se fijan sustancialmente antes de ensamblar la brida modular o la viga de material compuesto estructural.
En un quinto aspecto, la presente invención proporciona un kit de piezas para la formación de bridas de plástico reforzado con fibra modulares de acuerdo con la reivindicación 14. El kit proporciona de este modo medios para La producción de bridas de diferentes tamaños y propiedades mecánicas.
Los elementos alargados y los miembros de revestimiento del kit de piezas están preferentemente en un estado curado o semicurado y presentan su forma final.
Un ejemplo de la presente invención se describirá ahora con referencia a los siguientes dibujos en los que:
la Figura 1 muestra una vista esquemática en despiece ordenado de parte de una viga de material compuesto estructural modular;
la Figura 2 muestra una vista en sección esquemática de una brida de plástico reforzada con fibra modular y almas separadas;
la Figura 3 muestra una vista en sección esquemática de parte de una viga de material compuesto estructural modular ensamblada;
la Figura 4 muestra una vista en sección esquemática de parte de una viga de material compuesto estructural modular ensamblada alternativa; y
la Figura 5 muestra una vista en sección esquemática de parte de una viga de material compuesto estructural modular ensamblada alternativa adicional.
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La Figura 1 muestra una vista esquemática en despiece ordenado de una sección de una viga de material compuesto estructural modular 10. La viga 10 comprende los elementos de revestimiento primero 20 y segundo 30 y una pluralidad de elementos alargados 40. Además, la viga 10 comprende dos almas de cizalla 50 comprendiendo cada una un núcleo estructural 52 y capas de revestimiento exteriores 54.
Los núcleos estructurales 52 pueden fabricarse de cualquier material adecuado, incluyendo PVC, PET, madera de balsa o espuma de poliestireno u otro material de núcleo estructural ampliamente conocido y utilizado en la técnica. Las capas de revestimiento externas 54 comprenden predominantemente plástico reforzado con fibra multiaxial (± 45 °). Las capas de revestimiento externas 54 están unidos a los núcleos 52 por un adhesivo tal como un adhesivo estructural (tal como epoxi, poliuretano, acrílico, silicona) o con una resina tal como un poliéster, viniléster, epoxi u otra resina termoendurecible o termoplástica estructural.
Los elementos alargados 40 comprenden predominantemente plástico reforzado con fibra uniaxial. Los elementos alargados son normalmente materiales compuestos unidireccionales 'preformados' tales como pultrusiones o preimpregnados semicurados o tipos intermedios de materiales de manera que presentan su forma final o la forma antes de que se forme la brida 5 (véase la Figura 2). Como se muestra en la Figura 1, los elementos alargados 40 se disponen en una matriz, en el presente documento una matriz de tres por tres, para formar un cuerpo 42 que forma el componente de soporte de carga principal de la brida 5. Los elementos alargados 40 se adhieren entre sí para formar el cuerpo 42 ya sea mediante un adhesivo estructural o mediante la laminación juntos con la resina estructural usando un procedimiento tal como laminación a mano, infusión por vacío, consolidación por vacío o procedimientos de laminación similares utilizados en la técnica.
Los elementos de revestimiento primer y segundo 20, 30 comprenden cada uno predominantemente plástico reforzado con fibra multiaxial. El primer elemento de revestimiento 20 tiene una forma cóncava en forma de U y el segundo elemento de revestimiento 30 comprende salientes 32 que definen los zócalos 34 en cada borde exterior del segundo elemento de revestimiento 30. Los zócalos 34 se dimensionan para recibir los bordes 56 de las almas de cizalla 50.
Como se muestra en la Figura 2, en la brida 5 ensamblada, el segundo elemento de revestimiento 30 encaja dentro del primer elemento de revestimiento 20. Juntos, los dos elementos de revestimiento 20, 30 forman el miembro de revestimiento 60 que rodea completamente el cuerpo 42. En este ejemplo, 'rodea completamente' significa que el miembro de revestimiento 60 rodea el cuerpo 42 pero no cubre los extremos del cuerpo 42.
Como se muestra también en la Figura 2, los elementos de revestimiento primero y segundo 20, 30 se dimensionan para ajustarse al cuerpo 42. Las dimensiones del cuerpo 42 se definen por el número y disposición de los elementos alargados en la matriz. En el ejemplo mostrado en la Figura 2, el cuerpo 42 comprende una matriz de tres por tres de manera que la profundidad del cuerpo 42 es sustancialmente la misma que tres veces la profundidad de los elementos alargados 40 y el ancho del cuerpo 42 es sustancialmente el mismo que tres veces el ancho de los elementos alargados 40.
La Figura 3 muestra la brida 5 ensamblada junto con las almas de cizalla 50. Las almas de cizalla encajan en los zócalos 34 y están unidas por medio de un adhesivo tal como un adhesivo epoxi estructural. Como se muestra, la ubicación de las almas de cizalla 50 en los zócalos 34 'cierra' los extremos de las almas de cizalla 50. En la Figura 3 solo se muestra la sección superior de una viga de caja 10. Se apreciará que otra brida 5 puede fijarse al lado inferior de las almas de cizalla 50 para formar la viga de caja 10 completa. Además, las almas de cizalla 50 pueden ser de diversas profundidades para variar la profundidad de la viga de caja 10. Esta profundidad puede variarse a lo largo de la longitud de la viga para, por ejemplo, representar la conicidad de una pala de turbina eólica.
La Figura 4 muestra una configuración alternativa de una sección superior de una viga de material compuesto estructural modular 100. En este caso, la viga 100 es una viga I que comprende solo un alma de cizalla 50 situada en un zócalo central 134 del segundo miembro de revestimiento 130. Los elementos alargados 40, 140 que forman el cuerpo 142 de la brida 105 comprenden, de acuerdo con la invención, materiales de plástico reforzados con fibra diferentes de manera que los elementos alargados 40 puede comprender, por ejemplo, plástico reforzado con fibra de vidrio y los elementos alargados 140 pueden comprender, por ejemplo, plástico reforzado con fibra de carbono. La disposición de los elementos alargados 40, 140 de diferentes materiales que se muestra en la Figura 4 es solamente un ejemplo y puede seleccionarse cualquier otra disposición dependiendo de las propiedades mecánicas deseadas.
La viga 100 comprende adicionalmente capas de refuerzo 144 situadas entre las capas de elementos alargados 40, 140 en el cuerpo 42. Estas capas de refuerzo comprenden predominantemente plástico reforzado con fibra multiaxial (± 45°) y proporciona resistencia a la cizalla adicional a la brida 105. Pueden incluirse capas de refuerzo 144 en cualquiera de las configuraciones de viga de material compuesto estructural modular que se describen en el presente documento.
La Figura 5 muestra una configuración alternativa adicional de una sección superior de una viga de material compuesto estructural modular 200. Los elementos alargados 40 y el miembro de revestimiento 260 comprende solamente un único elemento de revestimiento 220 que rodea parcialmente los elementos alargados 40a, 40b y 40c
de la matriz.
Se apreciará que puede incluirse cualquier número de elementos alargados 40, 140 en la matriz que forma el cuerpo 42, 142, 242 y puede seleccionarse cualquier número de diferentes materiales de plástico reforzado con fibra en cualquier disposición deseada para los elementos alargados. De esta manera las propiedades mecánicas de la brida 5 5, 105, 205 pueden variar según se desee.
Haciendo referencia de nuevo a la Figura 2, si el ancho del cuerpo 42 se mantiene igual (tres elementos alargados de ancho), pero cambia la profundidad (por ejemplo, dos elementos alargados de profundidad) pueden usarse los mismos elementos de revestimiento 20, 30 puesto que la diferencia de profundidad se acomoda por el hecho de que el segundo elemento de revestimiento 30 encaja dentro del primer elemento de revestimiento 20 hasta que alcanza 10 el cuerpo 42. Si se desea, los lados 22 del primer elemento de revestimiento 20 pueden recortarse para eliminar la superposición con las salientes 32 del segundo elemento de revestimiento 30. Como alternativa, puede acomodarse un cuerpo de mayor profundidad 42 (por ejemplo, de cuatro o más elementos alargados de profundidad) por la capacidad de profundidad variable proporcionada por la interacción de los elementos de revestimiento primero y segundo 20, 30. En este caso las salientes 32 del segundo elemento de revestimiento 30 pueden recortarse 15 opcionalmente para eliminar el solapamiento con los lados 22 del primer elemento de revestimiento 20.
Si el ancho del cuerpo 42 varía (por ejemplo, dos elementos alargados de ancho) es deseable proporcionar a los elementos de revestimiento 20, 30 un tamaño adecuado para ajustarse al ancho del cuerpo 42. Los elementos alargados 40 tienen preferentemente dimensiones estándar de manera que pueda proporcionarse un conjunto de tamaños estandarizados de elementos de revestimiento 20, 30 para ajustarse a diferentes matrices de elementos 20 alargados.
Los componentes de plástico reforzado con fibra descritos anteriormente son normalmente plásticos reforzados con fibra de vidrio o plásticos reforzados con fibra de carbono que son bien conocidos en la técnica. Sin embargo, puede usarse cualquier otro material de plástico reforzado con fibra adecuado.

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Una brida de plástico reforzado con fibra modular para una viga de material compuesto estructural, para su uso en una pala de turbina eólica, que comprende:
    un cuerpo (42) formado por una pluralidad de elementos alargados (40, 140) preformados comprendiendo cada uno predominantemente un plástico reforzado con fibra uniaxial y disponiéndose en una matriz de manera que los ejes longitudinales de los elementos alargados preformados estén sustancialmente paralelos entre sí, en el que las dimensiones del cuerpo se determinan sustancialmente por el número y disposición de los elementos alargados preformados en la matriz y en el que al menos dos de los elementos alargados preformados difieren entre sí en que comprenden materiales diferentes; y
    un miembro de revestimiento (20, 30, 120, 130, 230) que rodea al menos parcialmente una pluralidad de los elementos preformados en la matriz.
  2. 2. Una brida modular como se reivindica en la reivindicación 1, en la que el miembro de revestimiento (20, 30, 120, 130, 230) rodea completamente la matriz de elementos alargados (40, 140) preformados.
  3. 3. Una brida modular como se reivindica en la reivindicación 2, en la que el miembro de revestimiento comprende elementos de revestimiento primero (20, 120) y segundo (30, 130), teniendo el primer elemento de revestimiento una forma cóncava y disponiéndose el segundo elemento de revestimiento para que encaje dentro del primer elemento revestimiento.
  4. 4. Una brida modular como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en la que el miembro de revestimiento comprende un zócalo (34) para recibir, en el uso, un alma de cizalla (50).
  5. 5. Una brida modular como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, que comprende adicionalmente al menos una capa de refuerzo (144) al menos parcialmente situada dentro de la matriz de elementos alargados preformados.
  6. 6. Una viga de material compuesto estructural, para su uso en una pala de turbina eólica, que comprende:
    una brida modular como se reivindica en cualquier reivindicación anterior; y un alma de cizalla conectada al miembro de revestimiento de la brida modular.
  7. 7. Una viga de material compuesto estructural de acuerdo con la reivindicación 6, en la que el alma de cizalla comprende un núcleo estructural (56) situado entre dos capas de material compuesto (54).
  8. 8. Un procedimiento de formación de una brida de plástico reforzado con fibra modular para una viga de material compuesto estructural, para su uso en una turbina eólica, que comprende:
    formar un cuerpo (42) a partir de una pluralidad de elementos alargados (40, 140) preformados comprendiendo cada uno predominantemente un plástico reforzado con fibra uniaxial y disponiéndose en una matriz de manera que los ejes longitudinales de los elementos alargados preformados estén sustancialmente paralelos entre sí, en el que las dimensiones del cuerpo se determinan sustancialmente por el número y disposición de los elementos alargados preformados en la matriz y en el que al menos dos de los elementos alargados preformados difieren entre sí en que comprenden materiales diferentes; y
    conectar un miembro de revestimiento (20, 30, 120, 130, 230) al cuerpo de manera que el miembro de revestimiento rodee al menos parcialmente una pluralidad de los elementos alargados preformados en la matriz.
  9. 9. Un procedimiento de formación de una brida modular como se reivindica en la reivindicación 8, que comprende adicionalmente:
    seleccionar un número y disposición de elementos preformados alargados (40, 140) para definir las dimensiones del cuerpo; y
    seleccionar un miembro de revestimiento (20, 30, 120, 130, 230) que se dimensiona para que encaje sustancialmente las dimensiones del cuerpo.
  10. 10. Un procedimiento de formación de una brida modular como se reivindica en la reivindicación 9, en el que el miembro de revestimiento comprende elementos de revestimiento primero (20, 120) y segundo (30, 130), teniendo el primer elemento de revestimiento una forma cóncava y disponiéndose el segundo elemento de revestimiento para que encaje dentro del primer elemento de revestimiento; comprendiendo el procedimiento adicionalmente:
    situar el cuerpo dentro del primer elemento de revestimiento; y
    situar el segundo elemento de revestimiento dentro del primer elemento de revestimiento para formar un miembro de revestimiento que rodee completamente el cuerpo.
  11. 11. Un procedimiento de formación de una viga de material compuesto estructural, para su uso en una pala de turbina eólica, que comprende:
    10
    15
    20
    usar el procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 para formar una brida modular; y conectar al menos un alma de cizalla al miembro de revestimiento de la brida modular.
  12. 12. Un procedimiento de formación de una brida modular como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, o un procedimiento de formación de una viga de material compuesto estructural de acuerdo con la reivindicación 11, en el que cada parte componente de la brida modular o viga de material compuesto estructural se fabrica en un procedimiento de producción continuo.
  13. 13. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el que, antes de que se realice el procedimiento, los elementos alargados preformados y el miembro de revestimiento de la brida modular, y la al menos un alma de cizalla de la viga de material compuesto estructural, están en un estado curado o semicurado y presentan su forma final.
  14. 14. Un kit de partes para la formación de bridas de plástico reforzadas con fibra modulares, para su uso en una pala de turbina eólica, que comprende:
    una pluralidad de elementos preformados (40, 140) comprendiendo cada uno predominantemente plástico reforzado con fibra uniaxial y siendo adecuado para la formación de un cuerpo (42) que comprende una pluralidad de elementos alargados preformados dispuestos en una matriz, en los que los ejes longitudinales de los elementos alargados preformados son sustancialmente paralelos entre sí y en los que al menos dos de los elementos alargados preformados difieren entre sí en que comprenden diferentes materiales; y una pluralidad de miembros de revestimiento (20, 30, 120, 130, 230), en los que la pluralidad de miembros de revestimiento se dimensiona para corresponder a múltiplos predeterminados de elementos alargados preformados.
  15. 15. Un kit de partes como se reivindica en la reivindicación 14, en el que los elementos alargados preformados y miembros de revestimiento están en un estado curado o semicurado y presentan su forma final.
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