CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una viga estructural fabricada en material compuesto, a base de fibra de vidrio, fibra de carbono y resina sintética y más en particular a la viga estructural de una pala de un aerogenerador eólico así como al proceso de fabricación de Ia misma.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los componentes estructurales de las palas de los aerogeneradores eólicos han de estar diseñados para soportar las tensiones derivadas de sus condiciones de trabajo continuo, siendo deseable que tengan el menor peso posible. Es por esto que se vienen utilizando materiales compuestos para su fabricación.

No se conocen sin embargo palas de aerogeneradores eólicos cuyo componente estructural esté específicamente diseñado para poder ser objeto de una fabricación mecanizada eficiente. En este sentido, se conocen antecedentes en el sector aeronáutico como los mencionados seguidamente . En el documento PCT WO 84/04905 se describe un proceso de fabricación para un revestimiento de un ala de avión en material compuesto, en el que el desmoldeo se realiza aplicando presión neumática en unas bolsas de aire previstas a tal efecto, quedando conformado el revestimiento final tras su curado previo a temperatura. La complejidad de este proceso y el control que es necesario realizar en Ia presión neumática del molde quedan resueltos con Ia presente invención, como se verá más adelante.

El documento PCT WO 96/06776 describe un proceso de fabricación para conformar un revestimiento de material compuesto para Ia pala del rotor de un helicóptero. En este proceso el desmoldeo se produce igualmente aplicando presión sobre un mandril inflable.

El documento US 5632602 describe el proceso seguido para el recubrimiento de resina sintética reforzada con fibra de una pala de rotor. Este proceso se realiza mediante laminación directa sin desmoldeo.

En el documento JP 6074142 se describe asimismo un método manual de embandado de fibra y resina sobre un elemento viga, para reforzar Ia resistencia del mismo en Ia dirección longitudinal.

Finalmente, el documento US 4273601 describe un método de embandado de resina reforzada con filamentos de fibras, sin proceso de desmoldeo.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

En un primer aspecto, la presente invención propone un diseño específico de Ia viga estructural de una pala de un aerogenerador eólico y, en un segundo aspecto, un. procedimiento de fabricación de Ia misma susceptible de una mecanización con un alto grado de automatización.

La viga estructural que se propone está formada, al igual que en Ia técnica conocida por un primer cuerpo o cuerpo raíz con una primera parte próxima al buje del aerogenerador con forma cilindrica, una tercera parte con forma de cajón y una segunda parte con formas de transición y un segundo cuerpo, al que llamaremos cuerpo-tronco.

Según Ia presente invención, en su primer aspecto, este cuerpo-tronco que tiene forma de cajón de sección decreciente hacia Ia punta de Ia pala está constituido por varias pilas formadas cada una de ellas por varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética situadas en sus zonas superior e inferior intercaladas entre varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética dispuestas a Io largo de todo su perímetro, incluyendo además una capa de material de refuerzo a Ia flexión en cada una de las zonas laterales y un film de resina que envuelve el conjunto anterior. Según Ia invención, en su segundo aspecto, el proceso de fabricación de esa viga comprende las siguientes etapas:

a) Preparación de un molde con Ia forma del hueco de Ia viga dotado de medios para facilitar las operaciones subsiguientes; b) Introducción del cuerpo-raíz en el molde; c) Aplicación sucesiva sobre la zona del molde correspondiente al cuerpo- tronco de: varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética recubriendo, a modo de vendaje, toda Ia superficie del molde, formando una capa inicial sobre Ia que posteriormente se aplicará el carbono, - varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética en Ia cara superior del molde, varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética recubriendo, a modo de vendaje, toda Ia superficie del molde y evitando que con el posterior giro las capas de carbono se despeguen y caigan; d) Giro de 180° del molde; e) Repetición de Ia etapa c) con Ia cara inferior del molde; f) Aplicación de una capa de material de refuerzo a la flexión en cada una de las zonas laterales del molde, previa colocación en estas zonas de unas láminas de resina que las fijan verticalmente, envolviéndola posteriormente con film adhesivo de resina; g) Repetición de las etapas c) a e) una pluralidad de veces; h) Curado de Ia viga mediante Ia aplicación de flujos de aire caliente a las superficie exterior de Ia viga y al interior del molde; i) Enfriamiento hasta temperatura de desmoldeo, desmoldeo y enfriamiento de Ia viga hasta temperatura ambiente. Este proceso de fabricación, como se verá en mayor detalle más adelante, permite que Ia aplicación de las capas de los materiales compuestos mencionados pueda ser efectuada por máquinas especializadas, tales como bobinadoras de fibra de vidrio y máquinas de encintado automático para el material de fibra de carbono. Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 muestra esquemáticamente las distintas partes que componen una pala de un aerogenerador eólico. La Figura 2 representa un corte en sección longitudinal de una pala de un aerogenerador eólico.

La Figura 3 muestra esquemáticamente Ia configuración de Ia viga estructural de Ia pala de un aerogenerador eólico según Ia presente invención.

La Figura 4 representa esquemáticamente los componentes utilizados en una realización del proceso de fabricación de Ia viga estructural de Ia pala de un aerogenerador eólico según Ia presente invención.

La Figura 5 muestra en esquema el molde utilizado en una realización del proceso de fabricación de la viga estructural de Ia pala de un aerogenerador eólico según Ia presente invención. La Figura 6 muestra Ia configuración de las telas de fibra de vidrio aplicadas sobre el molde.

La Figura 7 muestra Ia configuración de las telas de fibra de carbono laminadas sobre los extremos superior e inferior del molde.

La Figura 8 muestra esquemáticamente el proceso de aplicación de Ia bobinadora.

La Figura 9 representa esquemáticamente una bobinadora de fibra de vidrio de utilidad para Ia realización del proceso de fabricación de Ia viga estructural de Ia pala de un aerogenerador eólico según Ia presente invención. La Figura 10 representa los elementos utilizados en Ia etapa de curado. La Figura 11 muestra esquemáticamente el flujo de aire caliente en el interior del molde durante el proceso de curado.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Según se muestra en las Figuras 1 y 2 una pala de aerogenerador eólico conocida en Ia técnica está constituida por una viga estructural 1 , una concha superior o extradós 44 y una concha inferior o intradós 45.

La viga estructural 1 está formada por un primer cuerpo ó cuerpo-raíz 2 y un segundo cuerpo o cuerpo-tronco 3.

El cuerpo-raíz 2 está formado por una primera parte 4 de forma cilindrica, una segunda parte 5 de transición y una tercera parte 6 con forma de cajón. El cuerpo tronco 3 tiene forma de cajón con una sección decreciente hacia la punta de Ia pala, teniendo que soportar su cara superior 7, que está en contacto con el extradós 44, y su cara inferior 9, que está en contacto con el intradós 45, tensiones superiores a sus caras laterales 11 y 13, durante Ia vida útil de Ia pala. Según Ia presente invención, Ia viga estructural 1 está formada por un cuerpo-raíz 2 estructurado de manera apropiada para cumplir las funciones de fijación de Ia pala al buje del aerogenerador y de soporte y transmisión de las cargas máximas a las que se ve sometida Ia pala por Ia acción del viento, y por un cuerpo-tronco 3 constituido, como se muestra en Ia Figura 3, por varias pilas 26 formadas cada una de ellas por varias capas de fibra de carbono impregnadas con resina sintética 14 situadas en las zonas superior 7 e inferior 9 de Ia viga, intercaladas entre varias capas de fibra de vidrio impregnadas con resina sintética 15 dispuestas en toda su superficie, así como por una capa de material de refuerzo 16 en cada lateral de Ia viga, estando fijadas estas capas de refuerzo verticalmente a la viga mediante unas láminas de resina, y envolviéndola posteriormente con film adhesivo de resina.

Pasamos seguidamente a describir las principales etapas que componen un procedimiento, según una realización de Ia presente invención, para Ia fabricación de Ia mencionada viga estructural.

1. Preparación del molde e introducción del cuerpo raíz

En esta primera parte del proceso se prepara Ia superficie del molde 21 representado en Ia Figura 5 que será utilizado para Ia fabricación de Ia viga 1 con un tratamiento de líquidos desmoldeantes que facilitarán Ia operación posterior de extracción de Ia viga 1. Tras esta operación, se colocan unos elementos de fijación 56 que servirán como conexión con los sistemas de

suportación 57, 58 y 59 del molde 21. Estos sistemas de suportación son del tipo retráctil, de manera que permitirán el paso de una bobinadora 47 en el proceso de bobinado, como se explicará más adelante. En Ia posición de laminado el molde 21 se encontrará sustentado en sus partes extremas, mediante un apoyo articulado 10 y un apoyo empotrado 13, permitiendo ambos el giro en el sentido axial del molde. La sustentación del molde 21 por los soportes 57, 58 y 59 se realizará mediante apoyos articulados.

Una vez preparado el molde 21 se introduce en él el cuerpo 2 hasta su extremo 13, fijándolo mediante unión atornillada con insertos metálicos roscados al elemento 18, que se utilizará para Ia operación de desmoldeo al final del procedimiento.

2. Proceso de laminado

En esta etapa se procede a Ia laminación de Ia viga 3, es decir a Ia aplicación sucesiva de capas de fibra de carbono y resina, 14, y de capas de fibra de vidrio y resina, 15.

Para realizar el laminado de Ia viga 3, el molde 21 debe estar descansando sobre los tres apoyos de tipo retráctil 57, 58 y 59, y apoyado en Ia punta mediante un apoyo denominado jirafa, 10, tal como se muestra en Ia

Figura 5.

El inicio del proceso de laminado consiste en bobinar varias capas de fibra de vidrio 15 sobre el molde 21 en la posición anterior, utilizando una bobinadora 47, que lleva unas vallas laterales de protección 20. Como se muestra en la figura 6, las capas están formadas por telas 8, solapadas entre sí longitudinalmente, entre 10 y 20 mm, con las fibras de vidrio orientadas +/- 45° aproximadamente respecto al eje 12 de Ia viga 3.

A continuación, sobre Ia superficie superior 35 del molde 21 se laminan las capas de fibra de carbono 14 mediante una máquina de encintado automático de laminación 24 provista de un cabezal 22 y alimentada por un depósito de carbono 23, hasta alcanzar el radio de conexión 37 con las partes

laterales 39 del molde 21. Según se muestra en Ia Figura 7, las capas 14 están formadas por telas 49 que no se solapan entre sí.

Seguidamente, se bobina sobre los laminados de carbono anteriores, y utilizando una bobinadora 47, una segunda capa de fibra de vidrio y resina. Los tres pasos anteriormente citados, a saber, bobinado de capas de fibra de vidrio, laminado de capas de fibra de carbono y segundo bobinado de fibra de vidrio y resina, constituyen Ia pila 26.

Tras este proceso, se retiran los soportes 57, 58 y 59, y se gira el molde 21 en 180°, volviéndose posteriormente a situar los soportes, colocándose otra pila 26 en Ia superficie 36 del molde 21 (antes situada en su parte inferior). Siguiendo este proceso, se deben colocar un numero predefinido de pilas 26 en función de Ia rigidez que se quiera alcanzar en las caras superior 7 e inferior 9 de Ia viga 3.

A continuación, y sin retirar los soportes 57, 58 y 59, se procede a colocar unas láminas de resina en cada una de las zonas laterales del molde 21 , que sujetarán las dos capas o núcleos de espuma 16 en cada uno de los laterales del molde 21 y se envuelve el conjunto con un film adhesivo de resina. Tras ello se vuelven a colocar una pluralidad de pilas 16, quedando una configuración simétrica con respecto a los núcleos de espuma 16. Como puede desprenderse de las Figuras 5 y 8, en el proceso de bobinado, los apoyos de tipo retráctil, 57, 58 y 59 se esconden al paso de Ia bobinadora 47 de Ia Figura 9.

3. Preparación del curado

Como puede apreciarse en Ia Figura 10, Ia operación de preparación del curado consiste en cubrir por completo Ia viga 3 y el molde 21 anteriores con una bolsa de vacío cerrada, 31 , Ia cual se conecta a una bomba de vacío, alcanzándose, para esta realización concreta de la invención, una presión de vacío de entre -0,7 y -0,8 bar, manteniéndose durante todo el proceso de curado una presión mínima de -0,7 bar.

En Ia Figura 10 se puede apreciar que sobre la viga 3 se coloca una película pelable 28, que al ser retirada dejará una superficie limpia y rugosa que facilitará Ia posterior adhesión de otros elementos (al formar Ia pala completa) y una bolsa de vacío 31. Esta bolsa de vacío 31 encierra: un aireador 30, formado por un tejido esponjoso que permite el paso del aire, de manera que distribuye el vacío uniformemente en Ia superficie del laminado; y un sangrador 29, formado por una película perforada de plástico, con una determinada densidad de agujeros, que facilita el flujo de resina hacia el exterior, eliminando el contenido de aire dentro del laminado de material compuesto y eliminando igualmente el excedente de resina contenido en Ia fibra ya que, salvo excepciones, el prepreg siempre contiene un excedente de resina.

4. Proceso de curado

Según se observa en Ia Figura 11 , el proceso de curado consiste en el secado, mediante Ia aplicación de un flujo de aire caliente, de las telas empiladas sobre el molde 21 durante el proceso de laminación, de modo que adquieran Ia morfología definitiva de Ia viga 3.

El curado se realiza tanto desde el exterior, mediante aire soplado en las estufas de curado 25 que aparecen en Ia Figura 4, como por su interior, como puede observarse en Ia Figura 11.

El interior de Ia viga 3 cura gracias a los canales internos que posee el molde 21 , en los cuales se introduce aire caliente 34 - con los regímenes de caudal, presión y temperatura óptimos para el correcto curado de Ia viga 3 - desde el sistema de calentamiento 19 de Ia Figura 3, a través del conducto de impulsión 32 del molde 21. Dicho conducto está taladrado de modo que el aire caliente de curado pasa a los conductos de extracción 33.

Durante Ia operación de curado Ia viga 3 adquiere su forma definitiva, por Io que es importante minimizar su deflexión durante esta parte del proceso. Para ello, Ia viga 3 cura en una posición en Ia cual el apoyo del molde 21 durante el curado se realiza mediante dos tornillos niveladores que se atornillan a los soportes, situados en unas zonas del molde preparadas para dicha función.

Estos tornillos niveladores están anclados a las estufas de curado 25, en su zona interna.

5. Proceso de desmoldeo

El proceso de desmoldeo consiste en Ia extracción de Ia viga 1 después de haber adquirido ésta su morfología y sus propiedades mecánicas finales. Según esta realización concreta de Ia presente invención, para proceder al desmoldeo se deben retirar primeramente las estufas de curado 25, y colocar posteriormente dos eslingas ligadas a un puente grúa. A continuación, se retira el apoyo del molde en punta 10.

El cuerpo 2 de Ia viga está fijado en su parte final circular mediante unión atornillada con insertos metálicos roscados al sistema de desmoldeo o extracción 18 de modo que, mientras que el cuerpo 2 está fijado a una brida móvil, el molde 21 está fijado en su extremo 13 a una brida estática.

Posteriormente, mediante accionamiento hidráulico del sistema de desmoldeo

18 en el sentido del eje del molde 21 , se expulsa Ia viga 1 ya terminada, acompañando su movimiento las eslingas de un puente-grúa estándar. Una vez que Ia viga 1 ha sido desmoldeada por completo, es llevada a unos puestos de enfriamiento (no mostrados), en los que se asegura que su forma final sea la deseada.

En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.