Cómo elegir materiales centrales para las palas de las turbinas eólicas

Las palas de las turbinas eólicas deben ser lo suficientemente livianas para girar de manera eficiente, pero al mismo tiempo lo suficientemente rígidas y duraderas para soportar millones de ciclos de carga durante su vida útil. A medida que las palas se hacen más largas, la selección del material estructural del núcleo adecuado se vuelve cada vez más importante.

Se coloca un material central entre las pieles compuestas para formar una estructura tipo sándwich. Esta construcción aumenta la rigidez del panel sin agregar el peso de un laminado sólido. En las palas de turbinas eólicas, los núcleos estructurales se utilizan comúnmente en carcasas de palas, almas de corte y otras secciones tipo sándwich donde se requiere resistencia al pandeo y a las cargas de corte.

Sin embargo, no existe un único material de núcleo, densidad o tratamiento de superficie adecuado para cada pala. La selección correcta depende del diseño de la pala, la ubicación del núcleo, los requisitos mecánicos, el proceso de infusión, el consumo de resina, la temperatura de funcionamiento y el coste de producción.

Esta guía explica cómo elegir entre Espuma de PVC y espuma de PET y cómo la densidad, el espesor, el tratamiento de la superficie y el equipamiento influyen en el rendimiento de la hoja y la eficiencia de fabricación.

Por qué las palas de las turbinas eólicas necesitan materiales centrales

La pala de una turbina eólica está sujeta a combinaciones complejas de flexión, cizallamiento, compresión, fatiga y presión local a lo largo de su vida operativa. Hacer toda la hoja a partir de un laminado grueso y sólido de fibra de vidrio agregaría peso y costo de material excesivos.

Una estructura tipo sándwich proporciona una solución más eficiente. Normalmente consta de:

·  Una piel compuesta exterior;

·  Un núcleo estructural ligero;

·  Una piel compuesta interior.

Las pieles soportan gran parte de la carga de tracción y compresión, mientras que el núcleo separa las pieles y transfiere el corte entre ellas. Aumentar la distancia entre las pieles puede mejorar significativamente la rigidez a la flexión sin un aumento proporcional de peso.

Los materiales básicos también ayudan:

·  Aumentar la rigidez local del panel;

·  Mejorar la resistencia al pandeo;

·  Mantener la forma aerodinámica de la pala;

·  Estabilizar grandes secciones de concha;

·  Transferencia de corte entre revestimientos laminados;

·  Reducir la cantidad de laminado sólido requerido;

·  Apoyar la producción eficiente de grandes estructuras compuestas.

Por lo tanto, el núcleo debe evaluarse como parte de la estructura sándwich completa, no como un material aislado.

¿Dónde se utilizan los materiales centrales en la pala de una turbina eólica?

Los requisitos de material del núcleo varían según la hoja porque las cargas, la geometría y la construcción del laminado no son uniformes.

Conchas de hoja

La carcasa aerodinámica forma la superficie externa de la pala. Las áreas grandes de la carcasa necesitan suficiente rigidez para mantener su forma y resistir el pandeo local bajo cargas aerodinámicas y operativas.

Los núcleos de espuma estructural se utilizan comúnmente en secciones tipo sándwich de la carcasa. Su densidad, espesor y desempeño mecánico se seleccionan de acuerdo al diseño estructural local.

El núcleo también debe adaptarse a la superficie curva del molde y permanecer estable durante la infusión y el curado de la resina.

Redes de corte

Las redes de corte conectan los dos lados de la hoja y ayudan a transferir cargas de corte mientras mantienen la separación de las tapas del larguero que soportan la carga.

Los paneles sándwich utilizados en redes de corte requieren propiedades de corte confiables, estabilidad dimensional y buena unión con las capas laminadas. Los kits de núcleos también deben ajustarse con precisión porque los espacios, las juntas mal ajustadas o la acumulación excesiva de resina pueden afectar tanto el peso como la consistencia estructural.

Áreas de borde inicial y posterior

Se pueden usar materiales del núcleo en regiones seleccionadas de los bordes de ataque y de salida para estabilizar la carcasa y mejorar la rigidez local.

Estas áreas pueden implicar curvaturas cerradas, secciones estrechas y transiciones complejas. Por lo tanto, la flexibilidad del núcleo, la termoformabilidad, el patrón de puntuación y la precisión dimensional pueden ser tan importantes como las propiedades mecánicas nominales.

Transiciones de raíz y de carga alta

La raíz de la hoja contiene laminados gruesos, inserciones, juntas adhesivas y funciones de transferencia de carga. Un único grado de espuma ligera no es automáticamente adecuado en toda esta zona.

Es posible que se requieran materiales centrales de mayor densidad o soluciones estructurales alternativas alrededor de cargas, conexiones y transiciones localizadas. La especificación final debe basarse en los cálculos estructurales del diseñador de la pala.

¿Espuma de PVC o espuma de PET?

Tanto el PVC como el PET se utilizan como núcleos de espuma estructural, pero tienen diferentes características de rendimiento y procesamiento. La selección debe basarse en los requisitos de cada sección de pala y no sólo en el precio.

Núcleo de espuma de PVC

El PVC reticulado es una espuma estructural de celda cerrada con un fuerte equilibrio entre bajo peso, rendimiento mecánico y confiabilidad de procesamiento.

Las ventajas típicas incluyen:

·  Buena resistencia al corte y rigidez en relación con la densidad;

·  Buena resistencia a la fatiga;

·  Baja absorción de agua;

·  Buena estabilidad dimensional;

·  Compatibilidad con métodos comunes de procesamiento de compuestos;

·  Disponibilidad en diferentes densidades y tratamientos superficiales;

·  Rendimiento confiable en estructuras sándwich exigentes.

la espuma de PVC cuando la eficiencia mecánica, el rendimiento ante la fatiga y el bajo peso son importantes. Se puede considerar También puede ser preferible en áreas estructuralmente exigentes cuando el grado seleccionado proporciona las propiedades de corte y compresión requeridas.

Sin embargo, el PVC suele ser más caro que la espuma PET estándar. Por lo tanto, la elección del material debe considerar si sus ventajas de rendimiento son necesarias en la ubicación específica de la pala.

Núcleo de espuma de PET

El PET es una espuma estructural termoplástica ampliamente utilizada en la construcción tipo sándwich de palas de turbinas eólicas. Proporciona un equilibrio práctico entre rendimiento mecánico, capacidad de procesamiento, costo y sostenibilidad.

Las ventajas típicas incluyen:

·  Costo de material competitivo;

·  Buen rendimiento de compresión y corte;

·  Buena estabilidad dimensional;

·  Termoformabilidad;

·  Disponibilidad en una amplia gama de densidades;

·  Compatibilidad con procesos de infusión al vacío;

·  Reciclabilidad como material termoplástico;

·  Disponibilidad de grados elaborados con contenido de PET reciclado.

El PET es especialmente atractivo para la producción de palas de gran volumen, donde la rentabilidad, el suministro constante y la sostenibilidad son importantes.

Sin embargo, los grados de PET difieren significativamente en la estructura celular, las propiedades mecánicas, la resistencia a la temperatura y la absorción de resina. La palabra 'PET' por sí sola no es una especificación suficiente. El grado seleccionado debe verificarse con los requisitos estructurales y de procesamiento de la hoja.

Espuma de PVC versus espuma de PET: comparación práctica

Esta tabla es sólo una guía general. Las comparaciones finales deben utilizar datos técnicos reales a la densidad seleccionada y las condiciones de prueba.

No seleccione el material del núcleo únicamente según la potencia de la turbina

Puede resultar tentador decir que un material es adecuado por debajo de una determinada capacidad de turbina y que se debe utilizar otro por encima de ella. Esto es demasiado simplista.

La potencia nominal de una turbina no describe completamente los requisitos estructurales de sus palas. La selección también se ve afectada por:

·  Longitud de la hoja;

·  Instalación en tierra o mar adentro;

·  Velocidad del rotor;

·  Diseño aerodinámico;

·  Número y posición de las almas de corte;

·  Diseño de tapa de viga;

·  Geometría de la concha;

·  Peso objetivo de la hoja;

·  Diseño de vida;

·  Factores de seguridad;

·  Proceso de infusión y curación.

Por lo tanto, dos palas con potencias nominales similares pueden utilizar diferentes materiales de núcleo o diferentes combinaciones de densidades.

El dibujo de la hoja, el cronograma del laminado y las especificaciones de ingeniería siempre deben tener prioridad sobre una regla general basada en la clasificación de megavatios.

Cómo elegir la densidad de espuma correcta

La densidad de la espuma afecta el peso, la resistencia al corte, el rendimiento de compresión y el costo. Una mayor densidad generalmente proporciona mejores propiedades mecánicas, pero también aumenta el peso de la hoja y el costo del material.

El objetivo no es seleccionar la densidad más alta. Se trata de utilizar la densidad más baja que satisfaga de forma segura los requisitos estructurales y de procesamiento de cada ubicación.

Considere los siguientes factores:

Carga de corte

El núcleo transfiere el corte entre las pieles laminadas. Las áreas expuestas a cargas de corte más altas requieren suficiente módulo y resistencia al corte.

Tanto las propiedades estáticas como el comportamiento de fatiga a largo plazo pueden ser relevantes.

Compresión y presión local

El núcleo debe resistir la compresión durante la fabricación y el servicio. Puede producirse presión local alrededor de las funciones de las herramientas, los consumibles de vacío, las juntas y las áreas cargadas.

Un núcleo con un rendimiento de compresión inadecuado puede deformarse durante la infusión, el curado o la operación.

Resistencia al pandeo

El espesor del núcleo y la rigidez al corte contribuyen a la resistencia al pandeo del panel sándwich. Por lo tanto, la densidad debe considerarse junto con el espesor y el diseño de la piel.

Objetivo de peso

El uso de una densidad innecesariamente alta en un área de pala grande puede agregar un peso sustancial. La optimización local suele ser mejor que aplicar un grado a toda la pala.

Condiciones de procesamiento

La espuma debe tolerar la presión del vacío, la exotermia de la resina y la temperatura de curado sin distorsión inaceptable o pérdida de propiedades.

Como resultado, una hoja puede utilizar múltiples densidades. La espuma de menor densidad se puede utilizar en áreas menos exigentes, mientras que las inserciones o piezas de transición de mayor densidad se utilizan donde se concentran las cargas.

El espesor del núcleo es tan importante como la densidad

Aumentar el espesor del núcleo puede mejorar en gran medida la rigidez del panel sándwich, pero un material más grueso no es automáticamente mejor.

El espesor correcto depende de:

·  Rigidez requerida del panel;

·  Resistencia al pandeo local;

·  Geometría de la pala;

·  Espesor del laminado de piel;

·  Esfuerzo cortante en el núcleo;

·  Limitaciones de peso;

·  Espacio disponible para el molde;

·  Tolerancias de fabricación.

Las transiciones de espesor deben ser graduales y mecanizadas con precisión. Los escalones mal diseñados pueden crear áreas ricas en resina, concentraciones de tensiones o dificultades durante el colocación.

El diseñador de la pala debe especificar la distribución final del espesor. Luego, el proveedor principal puede fabricar láminas o kits con los conos, biseles y transiciones necesarios.

Tratamientos superficiales para infusión al vacío

Las palas de las turbinas eólicas se fabrican habitualmente mediante infusión de resina asistida por vacío. El tratamiento de la superficie del núcleo tiene un efecto directo sobre el flujo de resina, la eliminación de aire, la conformidad y el consumo de resina.

Espuma perforada

Las perforaciones permiten que el aire y la resina se muevan a través del espesor del núcleo. El diámetro y el espaciado de los orificios deben seleccionarse para la estrategia de infusión real.

Muy pocos orificios pueden restringir la extracción de aire. Demasiados agujeros o excesivamente grandes pueden aumentar el consumo de resina y el peso de la hoja.

Espuma ranurada

Las ranuras superficiales crean canales de flujo de resina. La dirección, el espaciado y la profundidad de las ranuras influyen en la velocidad y uniformidad de la infusión.

Un patrón de ranura más agresivo puede mejorar el flujo pero también puede retener más resina. Por lo tanto, el patrón de infusión más rápido no siempre es la solución de menor costo o menor peso.

Espuma rayada y rayada

Las láminas de espuma rígida se pueden cortar en bloques unidos a una malla de soporte. Esto permite que el núcleo siga los moldes de paletas curvas más fácilmente.

Las dimensiones de los bloques, el ancho de los cortes y el tipo de malla afectan la conformidad y la absorción de resina. Los espacios amplios entre los bloques pueden volverse ricos en resina después de la infusión.

Núcleo termoformado

La espuma de PET se puede termoformar para que coincida con las superficies curvas de las hojas. El núcleo preformado puede reducir los espacios y mejorar la repetibilidad, pero el proceso de formación debe controlarse para evitar cambios inaceptables en el espesor o las propiedades locales.

La absorción de resina importa

El costo del material central es sólo una parte del costo de la hoja terminada. La resina absorbida en agujeros, ranuras, cortes, celdas abiertas y huecos añade peso y gasto.

Para una pala de turbina eólica grande, incluso un pequeño aumento en la absorción de resina por metro cuadrado puede llegar a ser significativo sobre el área total del núcleo.

La absorción de resina está influenciada por:

·  Estructura de células de espuma;

·  Densidad central;

·  Porosidad superficial;

·  Diámetro y espaciado de los orificios;

·  Ancho y profundidad de la ranura;

·  Patrón de puntuación;

·  Espacios entre las piezas del kit;

·  Construcción de malla;

·  Viscosidad de la resina;

·  Nivel de vacío;

·  Temperatura de infusión.

La configuración del núcleo seleccionada debe proporcionar suficiente flujo de resina sin crear canales de resina innecesarios. Los paneles de prueba son útiles para comparar el tiempo de infusión, la impregnación, el consumo de resina y la calidad del panel terminado.

Estabilidad dimensional y de temperatura

El núcleo debe permanecer estable durante el almacenamiento, almacenamiento, infusión y curado.

Los factores importantes relacionados con la temperatura incluyen:

·  Temperatura máxima del molde;

·  Resina exotérmica;

·  Duración del curado;

·  Requisitos de poscurado;

·  Distribución de temperatura en áreas laminadas gruesas;

·  Ablandamiento o distorsión del núcleo;

·  Recuperación dimensional tras el enfriamiento.

La temperatura indicada en una ficha técnica no debe utilizarse sin comprender cómo se definió. La temperatura máxima a corto plazo, la temperatura de servicio continuo y la temperatura de distorsión por calor no son intercambiables.

Los clientes deben proporcionar el ciclo de curado completo al seleccionar un grado de espuma.

Rendimiento de fatiga

Las palas de las turbinas eólicas experimentan cargas cíclicas repetidas. Es posible que un material que pase una prueba estática de corto plazo no necesariamente proporcione el rendimiento de fatiga a largo plazo requerido.

Cuando la fatiga es un factor determinante del diseño, la evaluación puede incluir:

·  Comportamiento a fatiga cortante;

·  Fatiga por compresión;

·  Durabilidad de la unión piel-núcleo;

·  Conservación de la propiedad después de la exposición ambiental;

·  Realización de juntas y transiciones;

·  Variabilidad entre lotes de producción.

El núcleo debe calificarse como parte del sistema sándwich completo utilizando las pieles, la resina, el adhesivo y el proceso de fabricación previstos.

Precisión dimensional y kit de núcleos

Para hojas grandes, los materiales del núcleo frecuentemente se suministran como kits mecanizados por CNC en lugar de láminas rectangulares estándar.

Un kit básico bien diseñado puede proporcionar:

·  Ajuste preciso dentro del molde;

·  Transiciones de espesor correctas;

·  Recorte manual reducido;

·  Colocación más rápida;

·  Espacios consistentes entre piezas;

·  Menor riesgo de errores de instalación;

·  Mejor repetibilidad de la producción;

·  Identificación de cada pieza del kit.

Las opciones de mecanizado típicas incluyen:

·  Corte CNC;

·  Biselado;

·  Disminución gradual;

·  Ranurado;

·  Perforación;

·  Puntuación;

·  Aplicación de malla;

·  Termoformado;

·  Marcado de piezas;

·  Secuenciación y empaquetado del kit.

Las propiedades de los materiales por sí solas no determinan el valor total de un sistema central. La precisión del mecanizado, el diseño del kit, el embalaje y la fiabilidad de la entrega pueden tener una influencia importante en la eficiencia de la producción de palas.

Un proceso práctico de selección de materiales básicos

Un proceso de selección estructurado ayuda a evitar elegir el material basándose únicamente en la densidad o el precio.

Paso 1: identificar la ubicación de la hoja

Determine si el núcleo es para un panel de armazón, alma de corte, borde de ataque, borde de salida o una transición localizada.

Paso 2: Definir los requisitos estructurales

Confirme la resistencia al corte requerida, el módulo de corte, las propiedades de compresión, el rendimiento ante la fatiga, el espesor y el peso permitido.

Paso 3: Definir las condiciones de procesamiento

Proporcione el sistema de resina, el método de infusión, el nivel de vacío, la temperatura de curado, la duración del curado y la exotermia esperada.

Paso 4: compare los grados de PVC y PET

Compare propiedades a densidades equivalentes y en condiciones de prueba comparables. No compare únicamente descripciones de familias de productos.

Paso 5: seleccione el tratamiento de la superficie

Elija perforaciones, ranuras, ranuras o termoformado según la geometría y los requisitos de flujo de resina.

Paso 6: evaluar el consumo de resina

Mida la influencia del tratamiento superficial seleccionado y las juntas sobre el peso del panel terminado.

Paso 7: Confirmar los requisitos del kit

Proporcionar dibujos, tolerancias, identificación de piezas, secuencia de embalaje y volumen anual esperado.

Paso 8: Validar el sistema sándwich completo

Fabrice paneles de prueba representativos y pruebe el laminado completo antes de la aprobación final.

Información que debe proporcionarle a su proveedor de materiales principal

Para obtener una recomendación precisa, los fabricantes de hojas deben proporcionar:

·  Área de aplicación principal;

·  Tipo de material requerido;

·  Densidad objetivo;

·  Espesor del núcleo;

·  Dimensiones de la hoja o kit;

·  Requisitos de propiedades mecánicas;

·  Sistema de resina;

·  Método de infusión;

·  Ciclo de curado;

·  Tratamiento superficial;

·  Tolerancias requeridas;

·  Cantidad anual estimada;

·  Requisitos de pruebas y documentación.

Cuando el diseño de la pala es confidencial, el cliente puede proporcionar los requisitos mínimos de procesamiento y rendimiento relevantes sin compartir el diseño estructural completo.

Recomendación final

Tanto el PVC como la espuma de PET pueden proporcionar soluciones estructurales eficaces para las palas de las turbinas eólicas, pero no deben tratarse como materiales intercambiables.

la espuma de PVC cuando son especialmente importantes la alta eficiencia estructural, la resistencia a la fatiga y el bajo peso. A menudo se considera La espuma de PET ofrece una sólida combinación de rendimiento mecánico, rentabilidad, termoformabilidad y sostenibilidad para la producción de hojas de gran volumen.

La elección final debe basarse en la ubicación específica de la hoja, los cálculos estructurales, la densidad, el espesor, la temperatura de procesamiento, la absorción de resina y el tratamiento de la superficie. En muchos casos, el mejor diseño de pala puede utilizar diferentes grados de núcleo en diferentes áreas en lugar de depender de un solo material en todas partes.

JLON suministra PVC y Núcleos de espuma PET en múltiples densidades, espesores y formatos procesados ​​para la fabricación de palas de aerogeneradores. Las opciones de procesamiento disponibles incluyen ranurado, perforación, rayado, aplicación de malla, biselado, mecanizado CNC y kits de núcleos personalizados.

Comuníquese con JLON con la aplicación de su hoja, la densidad requerida, el espesor, la temperatura de curado y los dibujos. Nuestro equipo le ayudará a identificar un material central y una configuración de procesamiento adecuados para su evaluación.