WO2023012385A1 - Transicion de laminados de material compuesto para pala modular - Google Patents

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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention falls within the field of parts used in a modular blade, and more specifically, the improvement of load transfer between laminates with relevant increases in width and thickness of the beam flange (cap) necessary to accommodate metallic elements. of union that in the original cap do not fit.
  • the beam caps are narrow and thin (typically 300-600mm wide and 20-50mm thick). Therefore, to accommodate the metallic elements sufficient to give said structural continuity, it is necessary to thicken said cap in width and thickness.
  • Structural fibers mainly FC carbon and FV glass in wind blades
  • FC carbon and FV glass in wind blades are materials that can be applied in different orientations and in different combinations depending on the load they need to support.
  • Different materials are also mixed or reinforced by adding plastics, metals, etc.
  • the patent EP1664528 presents a laminate of fiberglass FV and carbon fiber FC in a ratio of 7 to 1 that, to compensate for the lack of conductivity of the fiberglass, adds a receiver glued to a laminate of steel fibers. This leaves 7 laminates of FV 1 laminate of FC and conductive steel fibers, without modifying the reaction of charges along the width of the joint.
  • the patent EP2507508 shows the spar used in a modular racket made of composite material reinforced with carbon fibers that gives it rigidity and resistance while being light.
  • a reinforcing block is arranged at the end point of the stringer.
  • a laminate with several reinforced layers oriented transversely to the longitudinal direction of the stringer.
  • One or more layers of fibers are wound around the stack, gradually increasing to form a transition zone, in any case using a variable stiffness hybrid laminate that modifies the response of the section across the width.
  • the patent EP176170 shows the thickened joint of a modular upper where the standard FV is reinforced with FC woven or laid throughout, before applying the resin. They spread continuously. It also shows combinations in continuous strips of FC and strips of wood or FV, joined by resin injection or by vacuum infusion, with definitions of continuous laminates in the width of the joint and therefore without rigidity transitions.
  • Hybrid laminates are known and vahados. Each combination responds to specific needs such as the case of the transition of laminates with increased width, object of the invention, which achieves by adjusting the rigidity of the laminate along the width of the joint that the section does not behave as a flat section but the level of load reaction can be adjusted along its width.
  • transition laminate must be designed to optimize the transmission of loads and not depending on the loads to be supported, which is usual in the state of the art.
  • An object of the invention is the design of the hybrid laminate throughout the length and width of the transition, which allows flattening the load distribution reached by the metallic elements of the blade joint in the preform in the laminates with increased width.
  • Another object of the invention is to achieve the most optimized design based on the length of the transition between the widths of the laminate, between the zone of the blade cap and the zone of the joint, and the angle at which this transition defines.
  • the ratio of elastic modules E 2int /E 2 ext must be established in the range of 60%-80%.
  • Figure 1 a shows a blade in plan with the integration of the joint
  • figure 1 b is the section of the joint, showing the comparison of widths between the area of the cap and the area of the joint, and 1c the transition of these panel widths.
  • Figures 2a, 2b and 2c show a second embodiment with the joint of the blade in a different place, with a much more relevant panel width transition.
  • Figure 3a shows the joint area with its laminates sectioned
  • Figure 3b shows the load distribution in the joint elements and the corresponding force reaction curve.
  • Figures 4a and 4b show the improved bonding zone, its load distribution and its new load distribution curves.
  • FIG. 5 represents another alternative.
  • the zone where to establish the joint of a modular blade (1) can be selected closer to the root or closer to the tip.
  • Each selected place requires an integration between the cap (2) of the blade, generally with the same width along the entire length of the blade, and the increase in the width of the cap (joining area), necessary to house the metallic elements. of the union, and that can be generated by increasing its lamination, or by using a preform (3).
  • Figure 1 b shows the width of the cap (W cap ) with little difference compared to the width of the joint (Wj Oint for places close to the tip of the blade and it is the joint called Joint 1 in the previous figure.
  • Figure 1 c shows the width transition between the cap (W cap ) and the joint area (Wj 0 ⁇ n t 1) is defined by the angle a, which is defined as the joint design criterion, typically in the range of 5 to 10 e for this type of transitions.
  • the cap (2) is made of mainly unidirectional UD composite material.
  • the joint area (3) must house the metallic elements necessary to withstand the forces of the joint and therefore has larger dimensions with a transition part (4) and a joint part (5).
  • the transition part (4) has a length called ( Ltransition) -
  • Figure 2a shows that there are sections in which the difference in width between the cap (2) and the joint area is more pronounced (3), when this is established in intermediate places of the blade (1).
  • the widths are detailed in figure 2b.
  • the width of the cap (W cap ) remains the same and the joint area (W joint 2 ) is wider, given the greater number of metallic joining elements that it has to accommodate, being in a larger blade area. loads. It is the union named Joint 2 of the previous figure.
  • Figure 2c shows the transition of widths from the cap (W cap ) el to the junction area (Wj 0 ⁇ n t 2 ) in this case, keeping the same a by design criteria.
  • the transition length ( L transitio n ) is greater than in the previous embodiment, since the increase in width of the junction is significantly greater.
  • Wj 0 ⁇ nt is the width of the joints (W joint 1 , W joint 2 ), is the width of the cap, and is the width reduction angle that the laminate has in the transition.
  • transition length is equal to one-half the junction width minus the cap width, divided by the tangent to a.
  • Figure 3a shows a plan view with the cap (2) sectioned according to AA and the area of the joint (3) sectioned according to BB.
  • the cap has a material with an elastic modulus Et and the lamination of the joining zone (3) is made with a material with an elastic modulus E 2 .
  • Figure 3b shows how the width of the joint (W joint ) (5) makes the load (Ft) received from the cap laminate tend to go predominantly through the central elements that are aligned with it (2), instead of from the side elements.
  • the load is transferred by shear from the center of the laminate to the end elements, so that if there is not enough transition length, it reaches the corners in a lesser way than through the center (F 2 ).
  • Figure 4a shows the behavior of the sectioned cap AA and of the union zone when it is laminated with a lamination sequence with inhomogeneity along its width, providing it with variable rigidity along the width, adding in the center a material with a lower modulus than on the sides so that the load transfer is more uniform.
  • a laminate with a higher modulus of elasticity E 2ext typically unidirectional carbon or glass fiber
  • E 2ext typically unidirectional carbon or glass fiber
  • Figure 4b shows the new load distribution according to the hybrid laminate where its rigidity in width has been adjusted.
  • the stiffness of the laminate By adjusting the stiffness of the laminate, the theoretical load curve (6) of F 2theor and the real curve (7) of F 2 ' overlap, improving the joint capacity. This is achieved with a ratio of elastic modules E 2int /E 2 ext in the range of 40%-60%.
  • the total flattening of the curve (8) would be achieved, called F 2
  • the joint section would no longer deform with a flat section (Navier's law), no longer due to an unintended three-dimensional effect caused by the width transition, but rather due to the design effect of the stiffness of the target laminate. from the spade designer.
  • Figure 5 shows a natural alternative to achieve a correct load transfer from the cap to the joint area, making a very long transition.
  • the angle of the joint, a' In order to ensure that the load is correctly transferred by shear to the laminated side elements of uniform rigidity, the angle of the joint, a', must be greatly reduced (in the order of 2- to 3 e ), and therefore lengthen the length of the joint. the transition.

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Abstract

Transición de laminados de material compuesto para pala modular caracterizada por aplanar la distribución de carga por elemento real (7) F2 solapándola con la distribución de carga por elemento teórica (6) F2theor mediante un laminado híbrido no homogéneo a lo largo de su anchura, con una zona en los extremos donde el módulo de 5 elasticidad E2'ext es muy alto y una zona en el centro donde se baja el módulo de elasticidad E2'int. Además, la transición tiene una longitud (Ltransition) variable respecto al ancho de cap (Wcap), al ancho de la unión (Wjoint) y al ángulo de diseño óptimo para transferir la carga α, todo ello según la fórmula Ltransition = 0.5 (Wjoint - Wcap) tan -1(α).

Description

TRANSICION DE LAMINADOS DE MATERIAL COMPUESTO PARA PALA MODULAR
DESCRIPCIÓN
Campo de la invención
La invención se engloba dentro del campo de las piezas utilizadas en una pala modular, y más en concreto de la mejora de la transferencia de carga entre laminados con aumentos relevantes de anchura y espesor del ala de la viga (cap) necesario para alojar elementos metálicos de unión que en el cap original no caben.
Antecedentes
Muchos de los conceptos utilizados para modularizar palas eólicas se basan en la introducción de elementos metálicos en el cap de la viga para poder practicar después una unión atornillada entre los mismos. De este modo, los elementos metálicos y su unión atornillada dan continuidad estructural a dicho cap de la viga.
Sin embargo, los caps de viga son estrechos y finos (típicamente entre 300 y 600 mm de ancho y entre 20 y 50 mm de espesor). Por tanto, para alojar los elementos metálicos suficientes para dar dicha continuidad estructural, es necesario engrosar dicho cap en anchura y espesor.
La posición final de estos elementos metálicos en la sección de unión y el diseño de la transición del laminado entre el cap de la viga original y dicha sección de unión provocan una distribución de cargas en cada uno de dichos elementos metálicos. La transición habitual basada en el engrosamiento de laminado resulta muy poco eficiente porque provoca una sobrecarga no deseada en los elementos metálicos centrales y una relajación tampoco deseada en los elementos metálicos laterales.
Los laminados de material compuesto se seleccionan en función de las cargas que soportarán. Las fibras estructurales (principalmente de carbono FC y de vidrio FV en las palas eólicas) son materiales que permiten aplicarse en distintas orientaciones y en distintas combinaciones en función de la carga que necesiten soportar.
También se mezclan distintos materiales o se refuerzan añadiendo plásticos, metales, etc.
En el informe WMC-2017-109 “Connection methods in wind turbine rotor blades” se describen laminados de fibra y metal para acumular la suficiente resistencia para incorporar en dicho laminado tornillos metálicos. Están especialmente diseñados para solucionar el stress de los T-bolts de la raíz de pala, sin modificar sustancialmente las distintas reacciones
-2- a Io largo del ancho de la unión.
La patente EP1664528 presenta un laminado de fibra de vidrio FV y fibra de carbono FC en una relación de 7 a 1 que para compensar la falta conductora de la fibra de vidrio le añade un receptor pegado a un laminado de fibras de acero. Queda así 7 laminados de FV 1 laminado de FC y fibras de acero conductoras, sin modificar tampoco la reacción de cargas a lo largo del ancho de la unión.
La patente EP2507508 muestra el larguero utilizado en una pala modular fabricado en material compuesto reforzado con fibras de carbono que le da rigidez y resistencia a la vez que es ligero. Un bloque de refuerzo se dispone en la punta final del larguero. Un laminado con varias capas reforzadas orientadas transversalmente al sentido longitudinal del larguero. Una o más capas de fibras se devanan alrededor del apilamiento, aumentando gradualmente para formar una zona de transición, sin utilizar en todo caso un laminado híbrido de rigidez variable que modifique la respuesta de la sección a lo largo del ancho.
La patente EP176170 muestra la unión engrosada de una pala modular donde la FV estándar está reforzada con FC tejidas o colocadas a lo largo, antes de aplicar la resina. Se extienden de forma continua. También muestra combinaciones en tiras continuas de FC y tiras de madera o FV, unidas mediante inyección de resina o por infusión al vacío, con definiciones de laminados continuos en el ancho de la unión y por tanto sin transiciones de rigidez
Los laminados híbridos son conocidos y vahados. Cada combinación responde a unas necesidades concretas como el caso de la transición de laminados con incremento anchura, objeto de la invención, que logra mediante el ajuste de la rigidez del laminado a lo largo del ancho de la unión que la sección no se comporte como una sección plana sino que se pueda ajustar el nivel de reacción de carga a lo largo de su anchura.
Figure imgf000004_0001
Tal y como se ha adelantado, con las técnicas habituales, la distribución de cargas en los elementos metálicos, y por tanto la resistencia total de la unión, será poco efectiva debido a la sobrecarga de los elementos metálicos centrales y la relajación de los elementos metálicos laterales.
Para ello, el laminado de la transición debe concebirse para optimizar la transmisión de cargas y no en función de las cargas a soportar, que es lo habitual en el estado del arte.
Un objeto de la invención es el diseño del laminado híbrido a lo largo y ancho de la transición, que permite aplanar la distribución de carga que alcanzan los elementos metálicos de la unión de pala en de la preforma los laminados con incremento de anchura
-3- utilizados en una pala modular.
Es otro objeto de la invención lograr el diseño más optimizado en función de la longitud de la transición de anchos del laminado, entre la zona del cap de la pala y la zona de la unión, y el ángulo a que define esta transición.
De todo ello se desprende la siguiente ventaja: Se consigue ajustar la forma de reaccionar la carga en la sección de la unión, haciendo que:
1. Allá donde se comporta como sección plana, debido a que las transiciones entre la zona de unión y la zona de cap de pala son suaves, ajustando la deformación de la misma a lo largo de su anchura y haciendo que la distribución de carga por elemento se aplane y su elemento más cargado (dimensionante de toda la unión) reduzca su carga. Para ello la relación de módulos elásticos E2int /E2'ext debe de establecerse en el rango de 40%-60%.
2. Allá donde no se comporte como sección plana por efectos tridimensionales inducidos por fuertes transiciones en ancho entre la zona de unión y la zona de cap de pala, ajustando la deformación de la misma a lo largo de su anchura y haciendo que la distribución de carga por elemento sea más efectiva, sobrecargando los elementos laterales (con menor carga) y descargando los elementos centrales (con mayor carga y por tanto dimensionantes de la unión). Para ello la relación de módulos elásticos E2int /E2 ext debe de establecerse en el rango de 60%-80%.
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 a muestra una pala en planta con la integración de la unión, la figura 1 b es la sección de la unión, mostrando la comparación de anchos entre la zona del cap y la zona de la unión, y la 1c la transición de dichas anchuras de panel.
Las Figuras 2a, 2b y 2c muestran una segunda realización con la unión de la pala en distinto lugar, con una transición de anchuras de panel mucho más relevante.
La figura 3a muestra la zona de unión con sus laminados seccionados, la figura 3b muestra la distribución de carga en los elementos de la unión y la curva de reacción de fuerzas correspondiente.
Las Figuras 4a y 4b muestran la zona de unión mejorada, su distribución de cargas y sus nuevas curvas de distribución de cargas.
La Figura 5 representa otra alternativa.
-4- Descripción detallada
Tal y como se muestra en la figura 1 a, la zona donde establecer la unión de una pala modular (1 ) puede seleccionarse más cerca de la raíz o más cerca de la punta. Cada lugar seleccionado necesita de una integración entre el cap (2) de la pala, generalmente con el mismo ancho a lo largo de toda la pala, y el incremento de la anchura del cap (zona de unión), necesario para alojar los elementos metálicos de la unión, y que puede generarse incrementando el laminado del mismo, o mediante el uso de una preforma (3).
La figura 1 b muestra la anchura del cap (Wcap) con poca diferencia frente a la anchura de la unión (WjOint para lugares cercanos a la punta de la pala y es la unión denominada Joint 1 de la figura anterior.
En la figura 1 c se muestra la transición de anchos ente el cap (Wcap) y la zona de unión (Wj0¡nt 1) viene definida por el ángulo a, que se define como criterio de diseño de la unión, típicamente en el rango de 5 a 10e para este tipo de transiciones. Al tener una relación anchos de panel (unión y cap de pala) cercana a 1 la transición resultante es relativamente corta. El cap (2) está formado por material compuesto principalmente unidireccional UD. La zona de la unión (3) debe albergar los elementos metálicos necesarios para soportar los esfuerzos de la unión y por ello tiene unas dimensiones mayores con una parte de transición (4) y una parte de unión (5). La parte de transición (4) tiene una longitud denominada ( Ltransition) -
En la figura 2a se muestra que hay secciones en las que la diferencia de ancho entre el cap (2) y la zona de la unión es más acusada (3), cuando esta se establece en lugares intermedios de la pala (1 ).
En la figura 2b se detallan los anchos. El ancho del cap (Wcap) continúa siendo el mismo y la zona de la unión (Wjoint 2) es más ancha, dado el mayor número de elementos metálicos de unión que tiene que alojar, al estar en una zona de pala de mayores cargas. Es la unión denominada Joint 2 de la figura anterior.
En la figura 2c se muestra la transición de anchos del cap (Wcap) el a la zona de la unión (Wj0¡nt 2) en este caso, manteniendo el mismo a por criterio de diseño. La longitud de transición ( LtransitiOn) es mayor que en la realización anterior, ya que el incremento de anchura de la unión es significativamente mayor.
La fórmula que gobierna la transición entre el cap (Wcap) y la zona de de la unión (Wj0¡nt 1 , Wj0¡nt 2) es la siguiente:
Ltransition = 0.5 (Wjoint - Wcap) tan-1 (a).
Donde:
-5- ■-transition es la long itud de la transición de anchos del laminado (4),
Wj0¡nt es la anchura de las uniones (Wjoint 1, Wjoint 2), es la anchura del cap, y a es el ángulo de reducción de ancho que tiene el laminado en la transición.
Así, la longitud de transición es igual a un medio del ancho de la unión menos el ancho del cap, dividido por la tangente de a.
En la figura 3a se muestra una vista en planta con el cap (2) seccionado según AA y la la zona de la unión (3) seccionada según BB. El cap tiene un material con un módulo elástico Et y el laminado de la zona de unión (3) está realizado con un material de módulo elástico E2.
En la figura 3b se representa cómo el ancho de la unión (Wjoint) (5) hace que la carga (Ft) recibida del laminado del cap tienda a ir predominantemente por los elementos centrales que están alineados con este (2), en vez de por los elementos laterales. La carga es transferida por cortadura desde el centro del laminado a los elementos de los extremos, de forma que caso de no tener la longitud suficiente de transición, llega a las esquinas de forma más disminuida que por el centro (F2).
Esto hace que la curva de reacción de carga real de F2 (7) sea distinta a la curva teórica Faheor (6), que vendría definida por la geometría de la pala en esta zona y la hipótesis de deformación de la viga con sección transversal plana (hipótesis de Navier). Los elementos centrales tienen una sobrecarga respecto a la carga teórica, mientras que los de las esquinas reciben menos carga. Esto limita la capacidad de transferencia de carga de la unión, ya que esta va a estar limitada por la carga máxima admisible por elemento, lo cual limita la capacidad de los elementos centrales. Además, esta situación supone una pérdida de eficiencia de los elementos laterales, que hace que no se pueda aprovechar todo su potencial y sea necesario incrementar su número para mantener la capacidad de paso de carga de la sección.
En la figura 4a se muestra el comportamiento del cap seccionado AA y de la zona de unión cuando el laminado de esta se realiza con una secuencia de laminación con no homogénea a lo largo de su anchura proporcionándole una rigidez variable a lo largo del ancho, añadiendo en el centro un material de módulo más bajo que en los laterales para que la transferencia de carga sea más uniforme. En la zona de los extremos se mantiene un laminado con un módulo de elasticidad E2ext más alto (típicamente unidireccional de fibra de carbono o vidrio) mientras que en el centro se baja el número de capas de módulo alto y se aumentan gradualmente las de módulo más bajo (típicamente fibra biaxial de vidrio o fibra unidireccional de vidrio para el caso de laminados de fibra de carbono) para disminuir el
-6- módulo de elasticidad E2 int- En la zona entre las dos se define una transición de laminado, dando una zona de transición de módulos entre ambos extremos E2'trans¡t¡on- En línea continua se muestra el módulo de elasticidad E2 de la realización anterior, con laminado uniforme, y en línea discontinua el módulo elástico actual, vahando a lo largo del ancho de la pieza.
En la figura 4b se muestra la nueva distribución de carga según el laminado híbrido donde se ha ajustado la rigidez del mismo en la anchura. Con el ajuste de la rigidez del laminado se consigue que la curva teórica (6) de carga de F2theor y la curva real (7) de F2' se superpongan, mejorando la capacidad de la unión. Esto se consigue con mediante una relación de módulos elásticos E2int /E2 ext en el rango de 40%-60%. Además, llevando este ajuste de rigidez del laminado a mayores diferencias (relación de módulos elásticos E2int /E2 ext en el rango de 60%-80%), se conseguiría el aplanamiento total de la curva (8), llamado F2|¡mit. Esto mejoraría sensiblemente el comportamiento de la unión, pudiendo extraer el máximo de la capacidad de paso de carga individual de cada elemento de unión, con la consiguiente optimización en su número y en el tamaño y coste de la unión. En este caso, la sección de la unión ya no se deformaría con sección plana (ley de Navier), ya no por un efecto tridimensional no buscado y originado por la transición de ancho, si no por efecto del diseño de la rigidez del laminado objetivo del diseñador de pala.
En la figura 5 se muestra una alternativa natural para lograr una transferencia correcta de carga del cap a la zona de la unión, haciendo una transición muy larga. Para conseguir que la carga se transfiera correctamente por cortadura a los elementos laterales con laminado de rigidez uniforme se tiene que rebajar mucho el ángulo de la unión, a’ (del orden de 2- a 3e), y por tanto alargar la longitud de la transición.
Esta solución resulta en transiciones de laminado muy largas, y por tanto es muy poco eficiente en peso y coste. Por el contrario, la solución propuesta con el laminado no homogéneo permite la reducción de la longitud de pieza (ángulos a mayores), junto con el incremento de la eficiencia de los elementos laterales, lo que supone una reducción importante en el peso y coste de la unión.
-7-

Claims

REIVINDICACIONES Transición de laminados de material compuesto para pala modular, entre un laminado del cap (2) y un laminado de la zona de unión (5), que alberga en su interior las partes metálicas de la misma, caracterizada por tener un laminado híbrido no homogéneo a lo largo de su anchura, con una distribución de rigidez variable a lo largo de la misma, con una zona en los extremos donde el módulo de elasticidad E2 ext es muy alto y una zona en el centro donde el módulo de elasticidad E2 nt es muy bajo y por tener una longitud (Ltrans¡t¡on) variable respecto al ancho de cap (Wcap), al ancho de la unión (Wj0¡nt) y al ángulo de diseño más óptimo para transferir la carga a. Transición de laminados según la reivindicación primera, caracterizada por el laminado híbrido no homogéneo donde se sustituye la fibra unidireccional de carbono o vidrio por fibra biaxial de vidrio o fibra unidireccional de vidrio para el caso de laminados de fibra de carbono, siendo los laterales la zona con alta densidad de fibra unidireccional y el centro donde predomina la fibra biaxial de vidrio o fibra unidireccional de vidrio para el caso de laminados de fibra de carbono. Transición de laminados según la reivindicación primera, caracterizada porque el laminado híbrido no homogéneo aplana la distribución de carga por elemento (7) F2 solapándola con la distribución de carga por elemento teórica (6) F2theOr mediante una relación de módulos elásticos E2int /E2 ext en el rango de 60%-80% Transición de anchuras de laminados según la reivindicación primera, caracterizada por aplanar la distribución de carga por elemento (8) acercándola al F2i¡m¡t mediante una relación de módulos elásticos E2int /E2 ext en el rango de 40%-60% Transición de anchuras de laminados según la reivindicación primera, caracterizada por que el ángulo a se encuentra en el rango de 5 a 10e.
-8-
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