DESCRIPCIÓN

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de las palas segmentadas de aerogeneradores, y más en concreto en el desarrollo de una metodología ágil y eficaz de diseño de la pala que permita optimizar y lanzar al mercado familias de palas segmentadas en tiempo y coste mínimo.

Antecedentes

Ante la incesante evolución en cuanto a requerimientos de las nuevas generaciones de máquinas y sus componentes, se observa la necesidad de adaptación continua al crecimiento de las familias de palas por parte de los fabricantes del sector eólico. Es crucial facilitar la transición a palas de mayor longitud que puedan ser transportadas, mantengan un coste competitivo y limiten al máximo las inversiones en medios productivos.

Para ello, se desarrolla una metodología que permita estandarizar al máximo el proceso de desarrollo y fabricación de palas modulares, y que, con un impacto mínimo sobre los modelos de partida, habilite en gran medida emplear las líneas de producción ya disponibles.

Existen soluciones para palas a las cuales se les intercambia sus puntas. Así en la patente W02009135902 describe cómo cambiar la punta de la pala al dimensionar las cargas de la pala con la punta más larga y la patente US200702553824 describe cómo intercambiar la punta y luego infusionarla en el interior de la viga.

Por otro lado existe la posibilidad de diseño de variar el perfil aerodinámico de la pala. RISO y TUF presentan sendas patentes W001/14740 y EP 2275671 modificando la sustentación con la variación del perfil de la pala y presentando una metodología de diseño analítico mapeando el perfil de la pala.

La solución presentada difiere del estado de la técnica ya que está definida específicamente para la optmización en masa y AEP (producción anual de energía) de palas modulares, que serán imprescindibles en adelante por cuestiones logísticas. Para ello se reduce la cuerda, reduciendo la carga y el AEP de forma indirecta. Para recuperar el AEP perdido, se extiende la longitud de la pala por su punta. La base de la invención está en aplicar estas técnicas de diseño respetando las restricciones geométricas que necesita la optimización del uso de los mismos medios productivos para toda la familia de palas y la adaptación de los moldes

-2- existentes para incorporar los mínimos cambios de las líneas de producción.

Uno de los impactos de la modularización de palas es el incremento de cargas que puede inducir el sobrepeso que implica la unión modular. Por tanto, conviene lógicamente reducir al máximo posible la masa y coste de la unión sin perjudicar el AEP. Para ello, la presente invención contempla diferentes actuaciones a lo largo de la pala.

En la zona donde se realiza la unión, la sección debe ser lo más gruesa posible para disponer de brazo de reacción con el que reducir cargas unitarias para un momento en la sección dado.

En la zona de punta se reduce la cuerda y espesor de la pala con el fin de reducir las cargas en la sección de unión. Este “adelgazamiento” tiene como inconveniente una cierta pérdida de AEP. Con el fin de recuperar el AEP perdido, se alarga la longitud de la pala por la punta. Es un objeto de la invención reducir la cuerda de punta de pala, reduciendo cargas y producción frente a la configuración de pala nominal.

Es otro objeto de la invención alargar el módulo outboard, recuperando la producción sin impactar tanto en cargas como para recuperar lo ganado en el punto anterior.

Es otro objeto de la invención adaptar los moldes existentes para la fabricación de estas nuevas palas.

Las ventajas son las siguientes:

Este concepto, que podría ser asumido en un diseño de pala no modular, no tiene la misma eficacia que en una pala modular, ya que alargar la pala impacta seriamente en los costes logísticos, cosa que no ocurre en una pala modular ya que el módulo outboard (que es el que se alarga) no tiene una L _outboard mayor a 30m.

El núcleo de la invención se encuentra en la metodología que permite la combinación idónea de estas técnicas para la obtención de una pala modular óptima.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La figura 1 representa una pala modular con los dos módulos.

La figura 2 muestra como las cargas de flexión (dimensionantes) en la sección de unión se reaccionan en cargas elementales unitarias en los distintos elementos que componen la unión.

-3- La figura 3 muestra la distribución de cuerdas y espesores de la pala de referencia (versión estándar) y las eventuales modificaciones que le pueden ser aplicadas (versión estilizada).

La figura 4 muestra la vista en planta (cuerdas) y alzado (espesores) de la pala de referencia.

La figura 5 muestra la vista en planta (cuerdas) de la pala de referencia (standard), la modificación de reducción de cuerda (slender) y la modificación de extensión de longitud (slender+extension) así como un detalle a la zona que incluye dichas modificaciones.

La figura 6 muestra la vista en alzado (espesores) de la pala de referencia (standard), la modificación de reducción de cuerda (slender) y la modificación de extensión de longitud (slender+extension) así como un detalle a la zona que incluye dichas modificaciones.

La figura 7 muestra el impacto en cargas y AEP debido al efecto del adelgazamiento en función de la posición de comienzo de adelgazamiento.

La figura 8 muestra el impacto en cargas y AEP para una configuración de pala con adelgazamiento seleccionada debido al aumento de longitud de pala.

La figura 9 muestra el molde utilizado y las distintas combinaciones de módulo outboard.

Descripción detallada

Tal y como se muestra en la figura 1 , la pala modular tiene un lugar de unión (1 ) y está compuesta de dos módulos: módulo inboard (2), entre la raíz de pala y la unión con una longitud L¡ _nboard , y módulo outboard (3), entre unión y punta de pala con una longitud L _out b _O ard- Sumando ambas longitudes mencionadas se obtiene la longitud total de la pala L _paia .

Como se muestra en la figura 2, sea cual sea el concepto de unión, la masa y coste de la misma depende de las cargas de la sección (4) y de su geometría. En concreto, las cargas unitarias en los elementos de unión (5) dependen de la carga a soportar en dicha sección (4) y de su geometría. Así, una pala gruesa reacciona la carga o momento con menor carga unitaria por disponer de mayor brazo de reacción y una pala delgada reacciona la carga o momento con mayor carga unitaria por disponer de menor brazo de reacción. De esta carga unitaria en los elementos de unión (5) depende básicamente la masa y coste resultante en la unión. Por ello, será de vital importancia reducir al máximo dicha carga unitaria en los elementos de unión (5).

Siendo la unión (1 ) una unión metálica, para una pala modular de L _pa , _a = 95m, con una unión a 25-30m de la punta, implica un incremento de carga en raíz de pala del entorno de 8%- 10%, lo que supone un rediseño de componentes de aerogenerador (módulo inboard (2) de pala incluida) Para aliviar esa sobrecarga, se genera una eslenderización o “adelgazamiento” del módulo outboard (3) de pala, reduciendo cuerda/espesor de la geometría, como se muestra en la figura 3 y la figura 4.

En dicha figura 3 se puede apreciar una distribución de cuerdas (6A) para la versión estándar y (7A) para la versión estilizada y espesores (6B) para la versión estándar y (7B) para la versión estilizada, para una pala estándar de 95m y una configuración estilizada construida a partir de dicha pala, donde: a) Se reduce la cuerda a un 75% los últimos 20m de punta. b) Se define una transición de otros 15m para adecuarse a las cuerdas originales de la pala estándar. c) Se mantiene la distribución de espesores relativos, lo que conduce a una reducción idéntica a la de cuerdas en los espesores globales.

Esa estilización tiene dos efectos: a) Reducción directa de cargas en raíz de pala b) Reducción directa de cargas en zona de unión que implica una reducción de la unión y con ello de su impacto en cargas en raíz de pala.

Esta estilización tiene una desventaja, que es la pérdida de producción de energía (AEP) por parte de la máquina. Esto se solventa alargando la longitud del módulo de outboard (3), como se indica en las imágenes de la figura 5 (cuerdas) y la figura 6 (espesores), que implica la recuperación de la producción a cambio de perder algo de mejora en cargas.

Este método, estilización + extensión, permite: a) Absorber los incrementos de carga inducidos por la modularización b) Permitir una optimización del diseño aerodinámico de pala sin la restricción de la longitud de pala. c) Disponer de familias de palas para distintos emplazamientos con: i. Mismo módulo inboard (2)

¡i. Distintos módulos outboard (3) para subir AEP o bajar cargas dependiendo del emplazamiento, con los mismos costes de fabricación del módulo inboard (2), que supone el 80% del coste de pala, y con las únicas inversiones de módulos outboard (3) (que son muy inferiores a los de inboard). d) No necesidad de rediseño de componentes para absorber incremento de cargas, teniendo la posibilidad de modulañzar rotores de aerogeneradores en fase de diseño cerrado. e) No necesidad de rediseño de unión para conseguir rotores mayores para mismo aerogenerador. Otras tecnologías basadas en extensiones de la raíza de pala (Root Joint), suponen un sobrepeso, y con ello un sobrecoste, un orden de magnitud mayor a lo propuesto por esta tecnología, además de imposibilitar superar un límite de extensión por las sobrecargas inducidas.

A modo de ejemplo, las figuras 7 y 8 incluyen los resultados de aplicar este procedimiento para una pala de L _pa , _a = 95m:

PASO 1 : La figura 7 incluye resultados de reducción de carga en raíz (Cargas en Root Joint: RJ) y carga en unión (Cargas en los elementos de unión: MBJ) en función de la estación de estilización seleccionada y para una reducción de cuerda al 75%. Así mismo, para cada una de las configuraciones se incluye la reducción de la producción de energía anual (AEP) asociada.

PASO 2: Se selecciona una configuración de las presentadas en la figura 7, en este caso la configuración con estilización constante (reducción de cuerda al 75%) a partir de la estación situada a 20m de punta. Esta configuración es la incluida en las imágenes de las figuras 3, 4, 5 y 6. A partir de esta configuración se realiza el estudio de extensión incluyendo sus resultados en la figura 8. Como se puede observar en dicha figura, con una extensión de 1 m se logra recuperar todo el AEP perdido, con una reducción de cargas en raíz del 1 1 .5% y del 6% en la zona de unión.

Esta reducción del 6% en la zona de unión permite reducir el número de elementos de unión (5) de 10 a 8 por cap, reduciendo la masa de 800kg a 640kg, con su reducción en coste asociado. Esta reducción de elementos es mayor a la reducción de cargas ya que los elementos eliminados son los menos eficientes y apenas incrementan el paso de carga de unión en ese 6% que se ha reducido.

Tal y como se muestra en la figura 9 el molde común para la versión de pala estándar y para la versión de pala estilizada es más largo. Por su parte el molde outboard dispone de postizos para poder fabricar la pala modular estándar y la pala modular estilizada.

El molde tiene que ser la envolvente de los dos tipos de palas: la estándar y la estilizada. Se utiliza el mismo molde para los dos tipos de palas. El molde de la estándar no varía salvo en los dos últimos metros, que tiene más cuerda. Por eso en la sección CC’ el postizo removible está en la versión estándar.

La versión estilizada es más larga y delgada, los postizos removibles se colocan en las secciones AA’ y BB’