ES3040236T3 - Main beam for wind turbine blade and manufacturing method thereof - Google Patents

Main beam for wind turbine blade and manufacturing method thereof

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ES3040236T3
ES3040236T3 ES20919545T ES20919545T ES3040236T3 ES 3040236 T3 ES3040236 T3 ES 3040236T3 ES 20919545 T ES20919545 T ES 20919545T ES 20919545 T ES20919545 T ES 20919545T ES 3040236 T3 ES3040236 T3 ES 3040236T3
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Yuan Liang
Lars Overgaard
Jianxu Sun
Lei Zhuang
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Envision Energy Technology Pte Ltd
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Envision Energy Tech Pte Ltd
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Abstract

Una viga principal (100) para una pala de ventilador, que comprende: uno o más cuerpos pultruidos de fibra de carbono (101), en donde cada cuerpo pultruido de fibra de carbono (101) comprende una o más placas pultruidas de fibra de carbono (101a), que están apiladas en la dirección del espesor y formadas por la solidificación de un primer material de vertido, en donde un material de vertido de fibra de vidrio está dispuesto entre cada dos placas pultruidas de fibra de carbono (101a); uno o más insertos (102) dispuestos adyacentes a los cuerpos pultruidos de fibra de carbono (101) en una dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal (100); una o más capas de recubrimiento (103) que cubren los cuerpos pultruidos de fibra de carbono (101) y/o los insertos (102) en ambos lados en la dirección del espesor de la viga principal (100); y un segundo material de vertido (101b) que se infiltra en los cuerpos pultruidos de fibra de carbono (101), los insertos (102) y las capas de recubrimiento (103). Mediante la viga principal, se pueden ajustar diversas propiedades de la pala, como la rigidez, al tiempo que se reduce el consumo de fibras de carbono, se mejora la adherencia de la viga principal a un molde curvo y se minimizan los defectos como burbujas y arrugas, aumentando así la rigidez requerida de la viga principal y prolongando su vida útil. También se describen un método para la fabricación de la viga principal y un generador eólico que la incluye. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Viga principal para pala de turbina eólica y procedimiento de fabricación de la misma
Campo técnico
La presente invención se refiere, en general, al campo de las turbinas eólicas, en particular, a una viga principal para pala de turbina eólica. Además, la presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de esta viga principal.
Antecedentes
En los últimos años, a medida que los países prestan más atención al medio ambiente, se muestra una tendencia de rápido desarrollo en el campo de la energía limpia en todo el mundo. La energía limpia, como un nuevo tipo de energía, tiene las ventajas de una amplia distribución, energía renovable y menos contaminación ambiental en comparación con los combustibles fósiles tradicionales. Como el representante más potencial de la energía limpia, la aplicación de turbinas eólicas está aumentando y se espera que reemplace aún más la energía fósil tradicional.
Las palas de turbina eólica son componentes importantes de la turbina eólica para capturar la energía eólica. Las palas instaladas en el buje de la turbina eólica son giradas por la energía eólica para generar sustentación, que se convierte adicionalmente en par a través de la cadena de transmisión en la góndola para accionar el generador para generar electricidad. En las mismas circunstancias, cuanto más grande sea el impulsor compuesto por palas, más energía eólica se puede capturar, por lo que las palas de turbina eólica tienden a ser cada vez más largas.
A medida que las palas se hacen cada vez más largas, el espacio libre (la distancia desde la punta de la pala de turbina eólica hasta la torre, que es un indicador de seguridad importante) se está convirtiendo en un cuello de botella, y es imperativo desarrollar nuevos materiales de pala o diseños de pala para mejorar el espacio libre. La viga principal de la pala es el componente que contribuye con aproximadamente el 90 % de la rigidez de balanceo, que básicamente determina el tamaño del espacio libre.
Los documentos US 2013/340385 A1, US 2017/218918 A1 y EP 2778393 A2 describen ejemplos de palas de turbina eólica y sus procedimientos de montaje. Además, el documento CN 108284 623 A describe una viga principal para una pala de turbina eólica, construida sin infusión al vacío.
La fibra de carbono es un material de alto módulo y alta resistencia, pero al mismo tiempo es caro. Por lo tanto, la forma de introducir razonablemente fibras de carbono en las palas para aumentar el margen de espacio libre y minimizar el costo de las palas es un tema de investigación importante para las principales compañías de energía eólica. Debido al alto coste de la viga principal de fibra de carbono pura y al largo tiempo para devolver el coste de la inversión única, surgen una variedad de materiales híbridos de fibra de carbono a medida que los tiempos lo requieren. Los materiales híbridos de fibra de carbono se forman añadiendo una cierta cantidad de fibra de carbono a los materiales tradicionales de fibra de vidrio. Los materiales híbridos de fibra de carbono pueden intentar equilibrar el rendimiento y el coste.
Sin embargo, los materiales híbridos de fibra de carbono actuales tienen principalmente las siguientes limitaciones:
1. los materiales se llevan a cabo principalmente a escala de material. Por ejemplo, la fibra de carbono y la fibra de vidrio se mezclan y tejen en la misma capa de tela en diferentes proporciones de haces de fibras, o se mezclan una capa de fibra de carbono y una capa de fibra de vidrio. Esta forma de mezcla es extremadamente carente de libertad de diseño, y la proporción de mezcla de fibra está completamente controlada por el proveedor del material. Para diferentes tipos de palas, solo se pueden seleccionar materiales de relación de mezcla fija, que no pueden satisfacer las necesidades de personalización para cada modelo.
2. las propiedades mecánicas finales de la fibra de carbono se ven muy afectadas por el proceso, por lo que una ruta de proceso estable es crucial para la estabilidad del rendimiento del producto final. Materiales híbridos de carbonovidrio (es decir, una mezcla de fibra de carbono y fibra de vidrio) generalmente utilizan un proceso de infusión, es decir, las telas híbridas de carbono-vidrio multicapa se superponen y se infunden juntas, o varias capas de fibra de carbono y varias capas de tela de fibra de vidrio se superponen y se infunden juntas. Sin embargo, el proceso de infusión de este material es propenso a defectos como burbujas y arrugas, que comprometen en gran medida las propiedades finales.
Existe la necesidad de una nueva viga principal de turbina eólica o material de viga principal que elimine al menos parcialmente las limitaciones anteriores.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar una viga principal para pala de turbina eólica y un procedimiento de fabricación de la misma, a través de la viga principal y/o el procedimiento, se pueden ajustar diversas propiedades de la pala, tales como la rigidez, al tiempo que se reduce la cantidad de fibra de carbono. Al mismo tiempo, se mejora la capacidad de drapeado de la viga principal al molde curvado y se reducen defectos tales como burbujas y arrugas, mejorando así la rigidez requerida y la vida útil de la viga principal.
En un primer aspecto de la presente invención, este objeto se resuelve mediante una viga principal para pala de turbina eólica, comprendiendo:
uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, comprendiendo cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono, las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se apilan a lo largo de una dirección de espesor de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se forman curando un primer material de infusión;
una o más incrustaciones, que están dispuestas adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono en una dirección perpendicular a una dirección de espesor de la viga principal; uno o más recubrimientos, que solo cubren los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono en ambos lados en la dirección de espesor de la viga principal; y
un segundo material de infusión, que impregna los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, las incrustaciones y los recubrimientos.
Las incrustaciones comprenden:
un cuerpo principal de las incrustaciones, cuyo espesor d1 es menor o igual que la suma D de los espesores de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes y los recubrimientos; y
una porción de transición de las incrustaciones dispuestas entre el cuerpo principal de las incrustaciones y los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes para formar una transición de espesor, cuyo espesor d2 varía entre cero y D-d1 desde el cuerpo principal de las incrustaciones hasta los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono.
A través de esta realización, se puede lograr una mejor capacidad de drapeado de la viga principal. La razón es que, en primer lugar, cuando hay una porción de transición en la parte superior de las incrustaciones, los recubrimientos solo necesitan cubrir los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, proporcionando así más movilidad en la dirección del espesor de la viga principal; en segundo lugar, dado que las incrustaciones están compuestas por el cuerpo principal y la porción de transición en la dirección del espesor de la viga principal, se proporciona más movilidad en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal, como la dirección de la cuerda; la movilidad facilita la formación de la forma de superficie deseada, como una superficie curva, del material de la viga principal antes de la infusión, y por lo tanto la forma de la superficie puede curarse y mantenerse después de la infusión.
En el contexto de la presente invención, el término "viga principal" se refiere a la estructura alargada en ambos lados de la pala para reforzar la pala. Por lo general, las vigas principales en ambos lados están conectadas con entramados ubicados dentro de la pala para soportar el espacio interior de la pala. El término "incrustación" se refiere a una estructura con una cierta forma incrustada en la viga principal. El término "lámina pultrusionada de fibra de carbono" se refiere a un material hecho de fibra de carbono impregnada con un material de infusión, y el término "cuerpo pultrusionado de fibra de carbono" se refiere a un cuerpo compuesto por una pluralidad de láminas pultrusionadas de fibra de carbono y el material de infusión entre ellas. Preferentemente, la incrustación, el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono en la viga principal y el recubrimiento forman una superficie de viga principal continua, si es necesario, que tiene la curvatura deseada. El término "impregnar" se refiere a la infusión de un material de infusión en un objeto de infusión y al menos parcialmente unirlo y finalmente curarlo. De manera adicional, el material de infusión de fibra de vidrio entre las láminas pultrusionadas de fibra de carbono puede ser el segundo material de infusión, es decir, la infusión de la lámina pultrusionada de fibra de carbono y la infusión del segundo material de infusión se pueden realizar en el mismo proceso, lo que puede ahorrar el proceso. Sin embargo, el material de infusión de fibra de vidrio entre las láminas pultrusionadas de fibra de carbono también puede ser diferente del segundo material de infusión y se puede infundir en un proceso diferente del segundo material de infusión. Las láminas e incrustaciones pultrusionadas de fibra de carbono pueden disponerse adyacentes entre sí en una dirección perpendicular al espesor de la viga principal, tal como en las direcciones de longitud y anchura de la viga principal, para formar el área de cobertura de la viga principal. En el caso de que las láminas pultrusionadas de fibra de carbono y las incrustaciones sean estructuras similares a tiras, las láminas pultrusionadas de fibra de carbono y las incrustaciones pueden estar dispuestas adyacentes entre sí en la dirección de la cuerda de la viga principal. Aquí, el término "dirección de la cuerda" se refiere a la dirección perpendicular al espesor de la viga principal y perpendicular a la longitud de la pala.
En una realización preferida de la presente invención, la una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono comprenden una pluralidad de láminas pultrusionadas de fibra de carbono, y se proporciona un material de infusión de fibra de vidrio entre al menos dos de la pluralidad de láminas pultrusionadas de fibra de carbono.
En una realización extendida de la presente invención, los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono tienen m de las láminas pultrusionadas de fibra de carbono, y la viga principal tiene n de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, p de las incrustaciones y q de los recubrimientos, donde m, n, p, q son números enteros de 1 a 100. Por ejemplo, las una o más incrustaciones pueden colocarse en uno o ambos lados de cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, respectivamente. No solo se puede ajustar el número de las incrustaciones, sino que también se puede ajustar la rigidez y la flexibilidad de las incrustaciones para lograr la capacidad de drapeado deseada después de la infusión secundaria con los cuerpos de pultrusión de fibra de carbono para formar mejor la superficie curva deseada.
En una realización extendida de la presente invención, el primer material de infusión comprende uno o más de los siguientes: resina epoxi termoendurecible, resina de vinilo, resina de poliéster insaturado, resina fenólica y resina termoplástica. También es concebible otro material de infusión según las enseñanzas de la presente invención.
En una realización extendida de la presente invención, la resina termoplástica comprende uno o más de los siguientes: resina de polipropileno, resina de polietileno, resina de cloruro de polivinilo, resina de poliestireno, resina de copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, resina de poliamida, resina de polieteretercetona y resina de sulfuro de polifenileno. También es concebible otra resina termoplástica según las enseñanzas de la presente invención.
En una realización extendida de la presente invención, el recubrimiento comprende tela de fibra de vidrio o tela no tejida de fibra de vidrio.
En una realización extendida de la presente invención, la incrustación comprende uno o más de los siguientes elementos: Espuma de PVC, espuma de PET, espuma de PMI, madera, material sándwich de panal, lámina pultrusionada de fibra de vidrio, tela de fibra de vidrio, tela no tejida de fibra de vidrio e hilo de fibra de vidrio. Otros materiales de incrustación también son concebibles según las enseñanzas de la presente invención.
En una realización extendida de la presente invención, el segundo material de infusión comprende uno o más de los siguientes: resina epoxi termoendurecible, resina de vinilo, resina de poliéster insaturado, resina fenólica y resina termoplástica.
En una realización extendida de la presente invención, la resina termoplástica comprende uno o más de los siguientes: resina de polipropileno, resina de polietileno, resina de cloruro de polivinilo, resina de poliestireno, resina de copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, resina de poliamida, resina de polieteretercetona y resina de sulfuro de polifenileno.
En una realización extendida de la presente invención, la sección transversal del cuerpo principal de las incrustaciones es rectangular y la sección transversal de la porción de transición de las incrustaciones es triangular. Según diferentes aplicaciones, se pueden adoptar diferentes formas del cuerpo principal de las incrustaciones y la porción de transición de las incrustaciones. Por ejemplo, la forma del cuerpo principal de las incrustaciones y la porción de transición de las incrustaciones se pueden determinar según la forma final deseada de la viga principal.
En un segundo aspecto de la presente invención, el objeto anterior se resuelve mediante un procedimiento de fabricación de la viga principal para pala de turbina eólica, el procedimiento comprende las siguientes etapas:
proporcionar uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, comprendiendo cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono, las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se apilan a lo largo de una dirección de espesor, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se forman curando un primer material de infusión, donde un material de infusión de fibra de vidrio se dispone entre cada dos de las láminas pultrusionadas de fibra de carbono;
disponer una o más incrustaciones adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal; disponer uno o más recubrimientos en los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono y/o las incrustaciones en ambos lados en la dirección del espesor de la viga principal; e impregnar los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, las incrustaciones y los recubrimientos con un segundo material de infusión.
La disposición de una o más incrustaciones adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal comprende las siguientes etapas:
disponer un cuerpo principal de las incrustaciones adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra, donde el espesor d1 del cuerpo principal de las incrustaciones es menor o igual que la suma D de los espesores de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes y los recubrimientos; y
disponer una porción de transición de las incrustaciones entre el cuerpo principal de las incrustaciones y los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes para formar la porción de transición de la incrustación con una transición de espesor, donde el espesor d2 de la transición de las incrustaciones varía entre cero y D-d1.
A través de esta realización, se puede lograr una mejor capacidad de drapeado de la viga principal. La razón es que, en primer lugar, cuando hay una transición en la parte superior de las incrustaciones, los recubrimientos solo necesitan cubrir los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, proporcionando así más movilidad en la dirección del espesor de la viga principal; en segundo lugar, dado que las incrustaciones están compuestas por el cuerpo principal y la transición en la dirección del espesor de la viga principal, se proporciona más movilidad en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal, como la dirección de la cuerda; la movilidad facilita la formación de la forma de superficie deseada, como una superficie curva, del material de la viga principal antes de la infusión, y por lo tanto puede curarse para mantener la forma de la superficie después de la infusión.
En una realización extendida de la presente invención, la disposición de una o más incrustaciones adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal comprende las siguientes etapas:
colocar las incrustaciones en ambos lados de cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono para formar un compuesto continuo.
En una realización extendida de la presente invención, proporcionar uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono comprende las siguientes etapas:
disponer una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono apiladas entre sí a lo largo de la dirección del espesor, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se han impregnado y curado con el primer material de infusión; y
establecer una capa de infusión de fibra de vidrio entre cada dos de las láminas pultrusionadas de fibra de carbono para la infusión secundaria.
La presente invención tiene al menos los siguientes efectos beneficiosos: (1) la invención resuelve mejor los problemas de burbujas de aire y arrugas en el material mixto de fibra de carbono a través de dos infusiones, es decir, la infusión del cuerpo pultrusionado de fibra de carbono y la infusión de la viga principal. Esto se debe a que, en la presente invención, solo el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono se forma mediante la infusión de múltiples pilas, y la segunda infusión se utiliza principalmente para la infusión secundaria del cuerpo pultrusionado de fibra de carbono infundida y la incrustación. Este proceso es menos propenso a burbujas y arrugas, ya que se deben infundir significativamente menos capas en este proceso en comparación con los laminados de la técnica anterior donde las láminas de fibra de carbono y las capas de fibra de vidrio están dispuestas una encima de la otra. Dado que el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono reemplaza la mayoría de las pilas de fibra híbrida, el riesgo de defectos como burbujas de aire y arrugas en la viga principal se reduce en gran medida. (2) En la presente invención, al colocar el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono y la incrustación en contacto entre sí, se mejora la capacidad de drapeado de la viga principal fabricada, de modo que pueda adaptarse mejor al molde y formar una forma deseada, como una superficie curva. (3) Dado que el material, la rigidez, la flexibilidad, la forma y otros parámetros de la incrustación se pueden ajustar fácilmente, varias características físicas y dimensionales de la viga principal, como la rigidez, el espesor, el ancho, etc., se pueden ajustar de manera fácil y precisa. (4) La mezcla de carbono-vidrio se puede llevar a cabo a la escala del diseño de la estructura de la pala, y no está restringida por los proveedores de materiales. La relación de mezcla y la forma se pueden ajustar libremente con diferentes modelos de palas. Al mismo tiempo, la fibra de carbono adopta el proceso de pultrusión, y la fibra de vidrio puede estar en forma de tela de fibra de vidrio. A través de la infusión secundaria y el curado conjunto, se garantiza que la fibra de carbono se utilice en forma de pultrusión, mejorando así el rendimiento de la viga principal.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se describe con más detalles a continuación con referencia a los dibujos adjuntos junto con realizaciones específicas.
Las Fig. 1A - Fig. 1D muestran varias realizaciones de las vigas principales según la presente invención.
La Fig. 2 muestra un diagrama esquemático de una turbina eólica que emplea la viga principal según la presente invención.
La Fig. 3 muestra un flujo de proceso de un procedimiento para fabricar la viga principal para pala de turbina eólica según la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES
Cabe señalar que varios componentes en las diversas figuras pueden mostrarse exagerados con fines ilustrativos y no necesariamente a escala correcta. En las diversas figuras, componentes idénticos o funcionalmente idénticos se proporcionan con los mismos números de referencia.
En la presente invención, a menos que se especifique lo contrario, "dispuesto en", "dispuesto sobre" y "dispuesto arriba" no excluyen el caso en que haya un intermedio entre los dos. Además, "dispuesto sobre o por encima" solo significa la relación posicional relativa entre dos componentes, y en ciertas circunstancias, como después de invertir la dirección del producto, también se puede convertir en "dispuesto debajo o por debajo", y viceversa.
En la presente invención, cada realización solo pretende ilustrar la solución de la presente invención y no debe interpretarse como limitante.
En la presente invención, a menos que se especifique lo contrario, los cuantificadores "un" y "una" no excluyen el escenario de múltiples elementos.
También debe señalarse aquí que, en las realizaciones de la presente invención, en aras de la claridad y la simplicidad, solo se puede mostrar una parte de los componentes o conjuntos, pero los expertos en la materia pueden entender que, según las enseñanzas de la presente invención, las partes o componentes requeridos pueden añadirse según escenarios específicos.
También se debe señalar que, dentro del alcance de la presente invención, los términos "igual", "mismo" e "igual a" no significan que los dos valores sean absolutamente iguales, sino que permiten un cierto error razonable, es decir, las frases también abarcan "sustancialmente igual", "sustancialmente lo mismo", "sustancialmente igual a". Por analogía, en la presente invención, los términos "perpendicular a", "paralelo a" y similares en la dirección de la tabla también abarcan los significados de "sustancialmente perpendicular a" y "sustancialmente paralelo a".
Además, la numeración de las etapas de cada procedimiento de la presente invención no limita el orden de ejecución de las etapas del procedimiento. A menos que se indique lo contrario, las diversas etapas del procedimiento se pueden realizar en un orden diferente.
La presente invención se describe con más detalles a continuación con referencia a los dibujos adjuntos junto con realizaciones específicas.
La Fig. 1A muestra una primera realización que no forma parte de la presente invención.
En la primera realización, la viga principal 100 tiene n cuerpos pultrusionados de fibra de carbono 101, p incrustaciones 102 y q recubrimientos 103, donde n=2, p=1 y q=2. Cabe señalar que los números de n, p, q son solo ejemplos y, en otras realizaciones, también se pueden establecer diferentes valores de n, p, q.
Específicamente, la viga principal 100 comprende los siguientes componentes:
Un cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 11, que tiene una pluralidad de láminas pultrusionadas de fibra de carbono 101a y un segundo material de infusión 101b, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono 101a están dispuestas para superponerse entre sí en la dirección del espesor A de la viga principal 100 y están separadas por el segundo material de infusión 101b. El segundo material de infusión 101b es, por ejemplo, tela de fibra de vidrio o tela no tejida. En esta realización, el material de infusión de fibra de vidrio entre las láminas pultrusionadas de fibra de carbono 101a es el segundo material de infusión 101b, es decir, la infusión de la lámina pultrusionada de fibra de carbono 101a y la infusión del segundo material de infusión son el mismo proceso, lo que puede ahorrar proceso. Sin embargo, en otras realizaciones, el material de infusión de fibra de vidrio entre las láminas pultrusionadas de fibra de carbono 101a también puede ser diferente del segundo material de infusión 101b, y se puede infundir en un proceso diferente del segundo material de infusión. Aquí, la lámina pultrusionada de fibra de carbono 101a se forma, por ejemplo, curando una cierta cantidad de fibras de carbono usando un primer material de infusión (no se muestra). El primer material de infusión de la lámina pultrusionada de fibra de carbono 101b puede comprender, por ejemplo, uno o más de los siguientes: resina epoxi termoestable, resina de vinilo, resina de poliéster insaturado, resina fenólica y resina termoplástica. La resina termoplástica puede comprender, por ejemplo, uno o más de los siguientes: resina de polipropileno, resina de polietileno, resina de cloruro de polivinilo, resina de poliestireno, resina de copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, resina de poliamida, resina de polieteretercetona y resina de sulfuro de polifenileno.
Una incrustación 102, que está dispuesta adyacente al cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 101 en una dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal 100, tal como la dirección de la cuerda B de la viga principal 100. Aquí, el término "dirección de la cuerda" se refiere a la dirección perpendicular al espesor de la viga principal y perpendicular a la longitud de la pala. En este caso, la incrustación 102 está dispuesta entre y enrasada con los cuerpos pultrusionados de dos fibras de carbono 12. En otras realizaciones, la incrustación 102 puede tener una diferencia de espesor con el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 12, y la diferencia de espesor puede ser compensada por la porción de transición de la incrustación o el recubrimiento. La incrustación 102 puede comprender, por ejemplo, uno o más de los siguientes elementos: Espuma de PVC, espuma de PET, espuma de PMI, madera, material sándwich de panal, lámina pultrusionada de fibra de vidrio, tela de fibra de vidrio, tela no tejida de fibra de vidrio e hilo de fibra de vidrio. Los parámetros de la incrustación 102, tales como el material, la rigidez, la flexibilidad, la forma, etc., se pueden ajustar según la aplicación específica, por lo que varias características físicas y dimensionales de la viga principal, tales como la rigidez, el espesor, el ancho, etc., se pueden ajustar de manera fácil y precisa.
Un recubrimiento 103, que cubre el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono y/o la incrustación en ambos lados de la viga principal 100 en la dirección del espesor A. El recubrimiento103 puede comprender, por ejemplo, una tela de fibra de vidrio o una tela no tejida de fibra de vidrio. El recubrimiento 103 se utiliza, por ejemplo, para formar la superficie de la pala de turbina eólica y para proteger el material interno de daños del entorno externo. Aquí, se muestran dos recubrimientos 103, que cubren tanto el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 101 como la incrustación 102 en ambos lados de la viga principal 100 en la dirección del espesor A, respectivamente. En otras realizaciones, el recubrimiento 103 solo puede cubrir el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 101.
Un segundo material de infusión 101b, que impregna los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, las incrustaciones y los recubrimientos. El segundo material de infusión puede comprender, por ejemplo, uno o más de los siguientes: resina epoxi termoestable, resina de vinilo, resina de poliéster insaturado, resina fenólica y resina termoplástica. La resina termoplástica puede comprender, por ejemplo, uno o más de los siguientes: resina de polipropileno, resina de polietileno, resina de cloruro de polivinilo, resina de poliestireno, resina de copolímero de acrilonitrilo-butadienoestireno, resina de poliamida, resina de polieteretercetona y resina de sulfuro de polifenileno.
Al seleccionar los materiales y propiedades de la incrustación 102, se puede mejorar la capacidad de drapeado de la viga principal 100 mientras se mantiene la rigidez de la viga principal 100, y básicamente se pueden evitar defectos, como burbujas de aire y arrugas, en la viga principal 100. Por lo tanto, la viga principal 100 según la presente invención tiene una gran mejora técnica en comparación con la viga principal convencional.
La Fig. 1b muestra una segunda realización que no forma parte de la presente invención.
En la segunda realización, la viga principal 100 tiene n pilas de cuerpos pultrusionados de fibra de carbono 101, p incrustaciones 102 y q recubrimientos 103, donde n=3, p=3, q=2. Cabe señalar que los números de n, p, q son solo ejemplos y, en otras realizaciones, también se pueden establecer diferentes valores de n, p, q.
En la segunda realización, se dispone una pluralidad de incrustaciones 102, y cada incrustación 102 tiene un ancho menor que el de la primera realización, proporcionando así una mayor rigidez y una mejor capacidad de drapeado. En otras realizaciones, también se pueden disponer incrustaciones de menor ancho 102, proporcionando así mayor rigidez y mejor capacidad de drapeado.
La Fig. 1C muestra una tercera realización según la presente invención.
En la tercera realización, la incrustación 102 comprende:
Un cuerpo principal de la incrustación 102a, cuyo espesor d1 es menor que la suma D de los espesores del cuerpo pultrusionado de fibra de carbono adyacente 101 y la incrustación 102. La sección transversal del cuerpo principal de la incrustación 102a puede ser rectangular, por ejemplo.
Una porción de transición de la incrustación 102b, cuyo espesor d2 varía entre cero y D-dl, donde la porción de transición de la incrustación 102b está dispuesta entre el cuerpo principal de la incrustación y el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono adyacente para formar una transición de espesor. La sección transversal de la porción de transición de la incrustación 102B es, por ejemplo, triangular.
Al disponer el cuerpo principal de la incrustación 102a y la porción de transición de la incrustación 102b, se puede lograr una mejor capacidad de drapeado de la viga principal. Esto se debe, en primer lugar, a que, en el caso de que haya una porción de transición de la incrustación 102B en la parte superior de la incrustación 102, el recubrimiento 103 solo necesita cubrir el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 101, proporcionando así más movilidad en la dirección del espesor A de la viga principal 100; a continuación, dado que la incrustación 102 se compone de una pluralidad de partes del cuerpo principal de la incrustación 102a y la porción de transición de la incrustación 102B en la dirección del espesor de la viga principal 100, se proporciona más movilidad en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal, como la dirección de la cuerda B de la viga principal 100; estas movilidades facilitan la formación de la forma de superficie deseada, como una superficie curva, del material de la viga principal antes de la infusión, de modo que el curado después de la infusión mantenga la forma de la superficie.
La Fig. 1D muestra una cuarta realización según la presente invención.
La diferencia entre la cuarta realización y la tercera realización es que el cuerpo principal de la incrustación 102a y la porción de transición de la incrustación 102b están dispuestos en ambos lados del cuerpo pultrusionado de fibra de carbono 101 para formar una transición de forma simétrica. Esta transición de forma simétrica es favorable para formar una porción engrosada del material de la viga principal, y la porción de engrosamiento es favorable para formar una superficie curva especial de la viga principal o compensar las partes débiles del material.
La Fig. 2 muestra un diagrama esquemático de una pala de turbina eólica 200 que emplea la viga principal 100 según la presente invención.
Como se muestra en la Fig. 2, la pala 200 tiene un borde de ataque 206 y un borde de salida 203. La parte de la pala 200 entre el borde de ataque 206 y el borde de salida 203 se divide en un lado de barlovento 201 y un lado de sotavento 204. Una viga de borde de salida 202 está situada cerca del borde de salida 203 para aumentar la resistencia del borde de salida. La viga principal 100 está dispuesta en el lado de barlovento 201 y el lado de sotavento 204, respectivamente, entre el borde de ataque 206 de la pala y el borde de salida 203 de la pala. Las vigas principales 100 están conectadas por entramados 205 para aumentar la estabilidad de la pala y evitar el colapso hacia adentro. Con la viga principal 100 de la presente invención, se puede mejorar la rigidez de la pala 200 y se puede mejorar la capacidad de drapeado del material de la viga principal, mejorando así el rendimiento aerodinámico y la vida útil de la pala.
La Fig. 3 muestra un flujo de proceso de un procedimiento 300 para fabricar la viga principal para pala de turbina eólica según la presente invención.
En la etapa 302, proporcionar uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, donde cada cuerpo pultrusionado de fibra de carbono comprende múltiples láminas pultrusionadas de fibra de carbono, las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se apilan en la dirección del espesor, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se forman curando un primer material de infusión, donde un material de infusión de fibra de vidrio se dispone entre cada dos láminas pultrusionadas de fibra de carbono;
en la etapa 304, disponer una o más incrustaciones adyacentes al cuerpo pultrusionado de fibra de carbono en una dirección perpendicular a la dirección de espesor de la viga principal;
en la etapa 306, disponer una o más recubrimientos en el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono y/o la incrustación en ambos lados en la dirección del espesor de la viga principal; y
en la etapa 308, impregnar los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, las incrustaciones y los recubrimientos con el segundo material de infusión.
La presente invención tiene al menos los siguientes efectos beneficiosos: (1) la invención resuelve mejor los problemas de burbujas de aire y arrugas en el material mixto de fibra de carbono a través de dos infusiones, es decir, la infusión del cuerpo pultrusionado de fibra de carbono y la infusión de la viga principal. Esto se debe a que, en la presente invención, solo el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono se forma mediante la infusión de múltiples pilas, y la segunda infusión se utiliza principalmente para la infusión secundaria del cuerpo pultrusionado de fibra de carbono infundida y la incrustación. Este proceso es menos propenso a burbujas y arrugas, ya que se deben infundir significativamente menos capas en este proceso en comparación con los laminados de la técnica anterior donde las láminas de fibra de carbono y las capas de fibra de vidrio están dispuestas una encima de la otra. Dado que el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono reemplaza la mayoría de las pilas de fibra híbrida, el riesgo de defectos como burbujas de aire y arrugas en la viga principal se reduce en gran medida. (2) En la presente invención, al colocar el cuerpo pultrusionado de fibra de carbono y la incrustación en contacto entre sí, se mejora la capacidad de drapeado de la viga principal fabricada, de modo que pueda adaptarse mejor al molde y formar una forma deseada, como una superficie curva. (3) Dado que el material, la rigidez, la flexibilidad, la forma y otros parámetros de la incrustación se pueden ajustar fácilmente, varias características físicas y dimensionales de la viga principal, como la rigidez, el espesor, el ancho, etc., se pueden ajustar de manera fácil y precisa. (4) La mezcla de carbono-vidrio se puede llevar a cabo a la escala del diseño de la estructura de la pala, y no está restringida por los proveedores de materiales. La relación de mezcla y la forma se pueden ajustar libremente con diferentes modelos de palas. Al mismo tiempo, la fibra de carbono adopta el proceso de pultrusión, y la fibra de vidrio puede estar en forma de tela de fibra de vidrio. A través de la infusión secundaria y el curado conjunto, se garantiza que la fibra de carbono se utilice en forma de pultrusión, mejorando así el rendimiento de la viga principal.
Si bien algunas realizaciones de la invención se han descrito en este documento, los expertos en la materia apreciarán que estas realizaciones se muestran solo a modo de ejemplo. A los expertos en la materia se les ocurrirán numerosas modificaciones, alternativas y mejoras bajo las enseñanzas de esta invención sin apartarse del alcance de esta invención. Se pretende que las reivindicaciones adjuntas definan el alcance de la invención y que los procedimientos y estructuras dentro del alcance de estas reivindicaciones estén cubiertas por las mismas

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Una viga principal (100) para pala de turbina eólica, comprendiendo:
uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101), comprendiendo cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono, las láminas pultrusionadas de fibra de carbono se apilan a lo largo de una dirección del espesor de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono, las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) se forman mediante el curado de un primer material de infusión;
una o más incrustaciones (102), que están dispuestas adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) en una dirección perpendicular a una dirección del espesor de la viga principal (100);
uno o más recubrimientos (103), que solo cubren los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) en ambos lados en la dirección del espesor de la viga principal (100); y
un segundo material de infusión (101b), que impregna los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101), las incrustaciones (102) y los recubrimientos (103), donde la una o más incrustaciones (102) comprenden un cuerpo principal de las incrustaciones (102a), cuyo espesor d1 es menor o igual que la suma D de los espesores de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes (101) y los recubrimientos (103); y
una porción de transición de las incrustaciones (102b) dispuesta entre el cuerpo principal de las incrustaciones (102a) y los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes (101) para formar una transición de espesor, cuyo espesor d2 varía entre cero y D-d1 desde el cuerpo principal de las incrustaciones (102) a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101).
2. La viga principal (100) según la reivindicación 1, donde la una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) comprenden una pluralidad de láminas pultrusionadas de fibra de carbono, y se proporciona un material de infusión de fibra de vidrio entre al menos dos de la pluralidad de láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a).
3. La viga principal (100) según la reivindicación 2, donde el material de infusión de fibra de vidrio y el segundo material de infusión (101b) son el mismo material.
4. La viga principal (100) según la reivindicación 1, donde los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) tienen m de las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a), y la viga principal (100) tiene n de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101), p de las incrustaciones (102), y q de los recubrimientos (103), donde m, n, p, q son números enteros de 1 a 100.
5. La viga principal (100) según la reivindicación 1, donde el primer material de infusión (101a) comprende uno o más de los siguientes: resina epoxi termoestable, resina de vinilo, resina de poliéster insaturado, resina fenólica y resina termoplástica.
6. La viga principal (100) según la reivindicación 5, donde la resina termoplástica comprende uno o más de los siguientes: resina de polipropileno, resina de polietileno, resina de cloruro de polivinilo, resina de poliestireno, resina de copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, resina de poliamida, resina de polieteretercetona y resina de sulfuro de polifenileno.
7. La viga principal (100) según la reivindicación 1, donde cada uno de los recubrimientos (103) comprende tela de fibra de vidrio o tela no tejida de fibra de vidrio.
8. La viga principal (100) según la reivindicación 1, donde cada una de las incrustaciones (102) comprende uno o más de los siguientes elementos: Espuma de PVC, espuma de PET, espuma de PMI, madera, material de sándwich de panal, lámina pultrusionada de fibra de vidrio, tela de fibra de vidrio, tela no tejida de fibra de vidrio e hilo de fibra de vidrio,
donde el segundo material de infusión (101b) comprende uno o más de los siguientes: resina epoxídica termoestable, resina vinílica, resina de poliéster insaturado, resina fenólica, resina termoplástica,
donde la resina termoplástica comprende uno o más de los siguientes: resina de polipropileno, resina de polietileno, resina de cloruro de polivinilo, resina de poliestireno, resina de copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, resina de poliamida, resina de poliéter éter cetona, resina de sulfuro de polifenileno.
9. La viga principal (100) según la reivindicación 1, donde la sección transversal del cuerpo principal de las incrustaciones (102a) es rectangular y la sección transversal de la porción de transición de las incrustaciones (102b) es triangular.
10. Un procedimiento de fabricación de la viga principal (100) para pala de turbina eólica, comprendiendo las etapas siguientes:
proporcionar uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101), comprendiendo cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a), las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) se apilan a lo largo de una dirección de espesor, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) se forman curando un primer material de infusión, donde un material de infusión de fibra de vidrio se dispone entre cada dos de las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a); disponer una o más incrustaciones (102) adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) en una dirección perpendicular a una dirección de espesor de la viga principal (100);
disponer uno o más recubrimientos superpuestos (103) en los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) en ambos lados en la dirección del espesor de la viga principal (100); y
impregnar los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101), las incrustaciones (102) y los recubrimientos (103) con un segundo material de infusión (101b), donde disponer la una o más incrustaciones (102) adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal (100) comprende las siguientes etapas:
disponer un cuerpo principal de las incrustaciones (102a) adyacente a los cuerpos pultrusionados de fibra (101), donde el espesor d1 del cuerpo principal de las incrustaciones (102a) es menor que la suma D de los espesores de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes (101) y los recubrimientos (103); y disponer una porción de transición de las incrustaciones (102b) entre el cuerpo principal de las incrustaciones (102a) y los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono adyacentes (101) para formar la porción de transición de las incrustaciones (102b) con una transición de espesor, donde el espesor d2 de la porción de transición de las incrustaciones (102b) varía entre cero y D-d1 desde el cuerpo principal de las incrustaciones (102) a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101).
11. El procedimiento según la reivindicación 10, donde disponer la una o más incrustaciones (102) adyacentes a los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) en la dirección perpendicular a la dirección del espesor de la viga principal (100) comprende las siguientes etapas: colocar las incrustaciones (102) a ambos lados de cada uno de los cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) para formar un material compuesto continuo.
12. El procedimiento según la reivindicación 10, donde proporcionar el uno o más cuerpos pultrusionados de fibra de carbono (101) comprende las siguientes etapas:
disponer la una o más láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) apiladas entre sí a lo largo de la dirección del espesor, donde las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) se han impregnado y curado con el primer material de infusión; y
colocar una capa de infusión de fibra de vidrio entre cada dos de las láminas pultrusionadas de fibra de carbono (101a) para la infusión secundaria.
13. Una turbina eólica, comprendiendo la viga principal (100) según una de las reivindicaciones 1 a 9.
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