ES2320962B1 - Perfil aerodinamico para la raiz de una pala de aerogenerador con doble borde de ataque. - Google Patents
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Abstract
Perfil aerodinámico para la raíz de una pala de
aerogenerador con doble borde de ataque, con un borde de ataque
(13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión (17, 19)
entre el borde de ataque (13) y el borde de salida (15), teniendo
el perfil (5, 5', 5'') en al menos una sección (37) de la región de
raíz (31) un espesor relativo en el rango 30%-50% y estando
configurada la parte convexa (21) del lado de presión (19) de
manera que su curvatura decrece desde un valor C0 en el borde de
ataque (13) hasta un valor C1 en un primer punto P1, luego se
incrementa hasta un valor C2 en un segundo punto P2 y luego decrece
hasta un valor 0 al final de la parte convexa (21).
Description
Perfil aerodinámico para la raíz de una pala de
aerogenerador con doble borde de ataque.
La invención se refiere a una pala de
aerogenerador optimizada aerodinámicamente y en particular a una
pala de aerogenerador optimizada en la región de raíz.
Los perfiles aerodinámicos usados en las palas
de los aerogeneradores tienen distintas características funcionales
en la región de raíz, en la región intermedia y en la región de
punta.
En la región de raíz las palas de
aerogeneradores tienen generalmente perfiles de un espesor relativo
más alto que en el resto de la pala. Un ejemplo de un perfil de una
región de raíz que tiene un espesor relativo en el rango 24%-26% se
describe en EP 0 663 527 A1.
Es deseable que un perfil en la región de raíz
de la pala tenga un máximo coeficiente de sustentación alto y una
alta relación sustentación-resistencia cercana al
máximo coeficiente de sustentación para ayudar al arranque del rotor
y a la producción de energía a velocidades medias del viento. Sin
embargo, el valor del coeficiente de sustentación es usualmente
moderado en este tipo de perfiles y ocurre a ángulos de ataque
moderadamente bajos. Esos efectos resultan de la necesidad de
construir el área de la raíz con grandes cuerdas y altas torsiones
(o giros) de cara a obtener la máxima energía. Ahora bien, el
proceso de fabricación está limitado a ciertos valores de cuerdas y
torsiones por lo que los valores de estas variables quedan
consecuentemente restringidos de cara a optimizar los costes
generales.
También es deseable que estos perfiles sean
menos sensibles a los efectos de suciedades o rugosidades, evitando
tanto como sea posible las pérdidas de sustentación cuando se
depositan partículas externas (debidas por ejemplo al hielo o a
suciedades) en la superficie externa, por lo que deben estar
idealmente diseñados para inducir una transición del flujo laminar
al turbulento cerca del borde de ataque.
En este sentido el documento
AIAA-2003-0350, "Roughness
Sensitivity considerations for tic root blade airfoils", sugiere
la familia DU de perfiles aerodinámicos, que tienen un espesor
relativo alto para afrontar los problemas de sensibilidad a las
rugosidades.
Ninguno de los diseños conocidos produce
resultados completamente satisfactorios, por lo que existe una
continua necesidad de proporcionar palas de aerogenerador con un
perfil aerodinámico optimizado en la región de raíz.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con un perfil en la región
de raíz que mejora el funcionamiento de la pala de
aerogenerador.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con un perfil en la región
de raíz con un coeficiente de sustentación más alto a ángulos de
ataque significativamente más altos y menos sensible a las
condiciones de suciedad que los perfiles tradicionales de espesor
relativo alto.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con un perfil
aerodinámicamente optimizado en la región de raíz que permite un
proceso de fabricación eficiente en costes.
Estos y otros objetos de la presente invención
se consiguen proporcionando una pala de aerogenerador de perfil
aerodinámico con un borde de ataque, un borde de salida y lados de
presión y de succión entre el borde de ataque y el borde de salida,
en el que el lado de presión tiene una primera parte convexa y una
segunda parte cóncava, teniendo dicho perfil en al menos una
sección de la región de raíz de la pala un espesor relativo en el
rango 30%-50% y estando configurada la parte convexa del lado de
presión de manera que su curvatura decrece desde un valor C0 en el
borde de ataque hasta un valor Cl en un primer punto P1, luego se
incrementa hasta un valor C2 en un segundo punto P2 y luego decrece
hasta un valor 0 al final de la parte convexa.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en
relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1 es una vista esquemática en planta
de una pala de aerogenerador.
La Figura 2 muestra un perfil conocido para la
región de raíz de una pala de aerogenerador.
La Figura 3 muestra la distribución de curvatura
para el perfil mostrado en la Figura 2.
Las Figuras 4, 5, 6 muestran perfiles según la
presente invención para la región de raíz de una pala de
aerogenerador.
La Figura 7 muestra la distribución de curvatura
para un perfil similar a los mostrados en las Figuras 4, 5, 6.
Como se muestra en la Figura 1 una típica pala 1
de aerogenerador tiene tres regiones: la región de raíz 31 que
incluye la porción de la pala 1 que está próxima al buje del rotor,
la región de punta 35 que incluye la porción de la pala 1 más
distante del buje del rotor y la región intermedia 33 entre la
región de raíz 31 y la región de punta 35.
La longitud de la región de raíz 31 es de
aproximadamente el 10%-50% de la longitud de la pala. La longitud
de la región intermedia 33 es de aproximadamente el 80%-40% de la
longitud de la pala. La longitud de la región de la punta 35 es de
aproximadamente el 10% de la longitud de la pala.
La forma, contorno y longitud de las palas de un
aerogenerador determina, en buena medida, la eficiencia y capacidad
de producción eléctrica del aerogenerador. Como es bien conocido el
buje del rotor está montado en un eje rotatorio conectado bien
directamente o a través de una multiplicadora para accionar un
generador eléctrico ubicado en una góndola y generar energía
eléctrica que puede ser transmitida a una red eléctrica pública o a
un dispositivo o instalación de almacenamiento de energía
eléctrica.
Una sección transversal de una pala de
aerogenerador tomada perpendicularmente a la imaginaria línea que
conecta al raíz de la pala con la punta de la pala recibe
generalmente el nombre de perfil aerodinámico.
Un importante parámetro de un perfil es su
espesor, es decir la máxima distancia entre el lado de succión y el
lado de presión que puede ser expresado como una fracción de la
longitud de la cuerda.
Una característica importante de cualquier pala
de aerogenerador es su capacidad para generar una sustentación que
aporta componentes de fuerzas a las palas que causan su rotación.
Como una pala de aerogenerador comprende múltiples perfiles, la
sustentación de una pala de aerogenerador puede ser considerada en
referencia a unos perfiles relevantes seleccionados, reconociendo
que la sustentación de la pala completa se obtiene integrando las
sustentaciones de todos perfiles de la pala. La magnitud de la
sustentación de un perfil depende de muchos factores, incluyendo la
velocidad del viento incidente, la forma y contorno del perfil y el
ángulo de ataque, es decir el ángulo entre la imaginaria línea, ó
línea de cuerda, que se extiende desde el borde de ataque al borde
de salida y un vector indicativo de la velocidad y dirección del
flujo de viento. El coeficiente de sustentación de un perfil es una
convención adoptada para representar al perfil con un valor no
dimensional único.
La Figura 2 muestra un típico perfil 3 de la
región de raíz 31 de una pala 1 de aerogenerador con un borde de
ataque 13 un moderadamente romo borde de salida 15 y una superficie
sustentadora con un lado de succión 17 y un lado de presión 19. La
cuerda 29 es una imaginaria línea trazada entre el borde de ataque
13 y el borde de salida 15. La forma de dicho perfil se define por
las coordenadas (x, y) de los lados de succión y presión expresadas
como fracciones de la longitud de la cuerda. El perfil mostrado en
la Figura 1 es un perfil con un espesor relativo alto.
La distribución de presión en los lados de
succión y presión 17, 19, que determina el funcionamiento del
perfil, puede ser considerada como una función dependiente de la
distribución de curvatura en ambos lados, estando definida la
curvatura como el inverso del radio de curvatura en cualquier punto
a lo largo de dichos lados.
Como puede verse en la Figura 3, una
característica relevante de la forma de la distribución de
curvatura a lo largo del perfil mostrado en la Figura 2 es que
presenta un lóbulo continuo en el borde de ataque.
Las Figuras 4, 5, 6 muestran perfiles 5, 5', 5''
según esta invención para al menos la sección 37 de la región de
raíz 31 que tienen, como el perfil 3 mostrado en la Figura 2, un
borde de ataque 13, un borde de salida 15 y una superficie
sustentadora con un lado de succión 17 y un lado de presión 19. Las
principales diferencias respecto al perfil 3 mostrado en la Figura 1
son, en primer lugar, que estos perfiles tienen un espesor relativo
más alto (mayor ó igual del 30% y menor o igual del 50%) y, en
segundo lugar, que la zona: curvada 27 en el lado de presión 19
está configura de una manera similar a la zona curvada del borde de
ataque 13, por lo que puede decirse que los perfiles 5, 5' y 5''
tienen un "segundo" borde de ataque 27, resultado un perfil con
un "doble borde de ataque". Las diferencias entre los perfiles
5, 5' y 5'' se refieren principalmente a las formas del borde de
salida 15 y del "segundo" borde de ataque 27.
La longitud de dicha sección 37 se extiende
entre el 1% y el 100% de la longitud de la región de raíz 31.
Siguiendo la Figura 7, que muestra un
distribución de curvatura aplicable a los perfiles 5, 5' y 5''
mostrados en las Figuras 4, 5, 6, puede observarse que la curvatura
del lado de presión tiene un valor máximo C0 en el punto de partida
PO en el borde de ataque 13. Luego decrece continuamente hasta un
valor C1 en el punto P1 que se corresponde con una posición de la
cuerda en, aproximadamente, el 3% de la longitud de la cuerda,
luego se incrementa hasta un valor C2 en el punto P2 (el
"segundo" borde de ataque 27), que se corresponde con una
posición de la cuerda en, aproximadamente, el 17% de la longitud de
la cuerda, luego decrece hasta alcanzar un valor 0 en un punto que
se corresponde con una posición de la cuerda en, aproximadamente, el
49% de la longitud de la cuerda, en el que la forma del lado de
presión cambia de convexa a cóncava. Más allá de ese punto las
diferencias respecto a los perfiles típicos son menos
relevantes.
En una realización preferente P1 esta ubicado en
una sección del perfil correspondiente a una posición de la cuerda
en el rango del 1% al 8% de la longitud de la cuerda medido desde
el borde de ataque 13.
En una realización preferente P2 esta ubicado en
una sección del perfil correspondiente a una posición de la cuerda
en el rango del 5% al 40% de la longitud de la cuerda medido desde
el borde de ataque 13.
En una realización preferente, el valor C2 de la
curvatura en el "segundo" borde de ataque 27 es menor que el
valor C0 de la curvatura en el borde de ataque 13. Preferiblemente,
el valor C2 de la curvatura está comprendido entre el 40%-90% del
valor C0 de la curvatura.
Aunque la presente invención se ha descrito
enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente
que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance
de, no considerando éste como limitado por las anteriores
realizaciones, las reivindicaciones siguientes.
Claims (5)
1. Un pala (1) de aerogenerador de perfil
aerodinámico con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y
lados de succión y presión (17, 19) entre el borde de ataque (13) y
el borde de salida (15), en el que el lado de presión (19) tiene
una primera parte convexa (21) y una segunda parte cóncava (23),
caracterizado porque, en al menos una sección (37) de la
región de raíz (31), el perfil (5, 5', 5'') tiene un espesor
relativo en el rango 30%-50% y la parte convexa (21) del lado de
presión (19) está configurada manera que su curvatura decrece desde
un valor C0 en el borde de ataque (13) hasta un valor C1 en un
primer punto P1, luego se incrementa hasta un valor C2 en un segundo
punto P2 y luego decrece hasta un valor 0 al final de la parte
convexa (21).
2. Una pala (1) de aerogenerador según la
reivindicación 1, caracterizada porque la región de raíz
(31) se extiende entre 10% y el 50% de la longitud de la pala y
dicha sección (37) se extiende entre el 1% y el 100% de la longitud
de la región de raíz (31).
3. Una pala (1) de aerogenerador según
cualquiera de las reivindicaciones 1-2,
caracterizada porque dicho primer punto P1 está ubicado en
una sección del perfil correspondiente a una posición de la cuerda
en el rango del 1% al 8% de la longitud de la cuerda medida desde
el borde de ataque (13).
4. Una pala (1) de aerogenerador según
cualquiera de las reivindicaciones 1-3,
caracterizada porque dicho segundo punto P2 esta ubicado en
una sección del perfil correspondiente a una posición de la cuerda
en el rango del 5% al 40% de la longitud de la cuerda medida desde
el borde de ataque (13).
5. Una pala (1) de aerogenerador según
cualquiera de las reivindicaciones 1-4,
caracterizada porque el valor C2 de la curvatura en el dicho
segundo punto P2 está comprendido entre el 40%-90% del valor C0 de
la curvatura en el borde de ataque (13).
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