ES2338963A1 - Pala multi-punta de aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Pala multi-punta de aerogenerador que comprende una región principal (7) 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 (15) y el borde de salida (15) y una región de punta (9) que comprende varias puntas (11, 11'', 11'''') dispuestas como extensiones longitudinales de la región principal (7) formando cada una de ellas un ángulo diédrico (A, A'', A'''') diferente con la región principal (7).
Description
Pala multi-punta de
aerogenerador.
La invención se refiere a una pala de
aerogenerador optimizada aerodinámicamente y en particular a una
pala de aerogenerador optimizada en la región de punta.
Hay varios problemas asociados a la región de
punta de las palas de aerogeneradores utilizados actualmente en la
industria eólica.
Un problema se refiere a la contribución de la
región de punta al comportamiento aerodinámico de las palas de
aerogenerador. Hay muchas propuestas conocidas en este campo como la
configuración de la punta de la pala en forma de alerón para mejorar
el rendimiento de la pala.
Otro problema se refiere al hecho de que la
punta de la pala es una importante fuente de ruido. Se conocen al
respecto muchas propuestas proporcionando formas de puntas de pala
para minimizar el ruido: puntas elípticas, puntas con forma ojival o
puntas con forma de ala de tiburón.
Ninguna de las propuestas conocidas 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 punta.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con una configuración de la
región de punta que mejora el rendimiento de la pala de
aerogenerador.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con una configuración de la
región de punta que permite recuperar parte de las pérdidas de
energía asociadas a la vorticidad de la región de punta.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con una configuración de la
región de punta que permite la reducción del ruido de la punta.
Estos y otros objetos de la presente invención
se consiguen proporcionando una pala de aerogenerador comprendiendo
una región principal 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 y una región de punta comprendiendo
varias puntas dispuestas como extensiones longitudinales de la
región principal formando cada una de ellas un ángulo diédrico
diferente con la región principal.
En una realización de la invención dichas puntas
también están dispuestas a diferentes ángulos de paso. Se consigue
con ello una pala multi-punta teniendo cada una de
sus puntas colocada en una posición optimizada para mejorar el
rendimiento aerodinámico de la pala y para reducir el ruido de la
punta.
En otra realización, la longitud de cada punta
es menor o igual que la longitud de la punta contigua más próxima al
borde de ataque. Se consigue con ello una pala
multi-punta teniendo una longitud optimizada en cada
punta para mejorar el rendimiento aerodinámico de la pala y para
reducir el ruido de la punta.
En otra realización, la pala tiene medios para
cambiar el ángulo diédrico y/o el ángulo de paso de dichas puntas.
Se consigue con ello una pala multi-punta con
medios para mejorar el rendimiento aerodinámico de la pala y para
reducir el ruido de la punta teniendo en cuenta las condiciones
operativas de la pala.
En otra realización, la región de punta está
fabricada como una parte separada y se une, a modo de dispositivo de
punta, a la región principal. Se consigue con ello facilitar la
fabricación de una pala multi-punta que mejora el
rendimiento aerodinámico de la pala y reduce el ruido de la
punta.
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 conocida.
La Figura 2 es una vista esquemática en planta
de una pala de aerogenerador según la presente invención.
La Figura 3 es una vista ampliada de la región
de punta de la pala de aerogenerador ilustrada en la Figura 2.
La Figura 4 es una vista frontal ampliada de la
región de punta de una pala de aerogenerador según una realización
de la presente invención.
La Figura 5 es una vista en sección transversal
por la línea L-L de la región de punta de la pala de
aerogenerador ilustrada en la Figura 4.
La Figura 6 muestra la distribución de la
circulación envolvente a lo largo del radio de la pala en una pala
estándar, en una pala con un alerón y en una pala según la presente
invención.
La Figura 7 muestra una realización de una pala
de aerogenerador según la presente invención en la que la región de
punta está configurada como un dispositivo de punta unido a la
pala.
Como se muestra en la Figura 1 una típica pala
de aerogenerador de perfil aerodinámico con un borde de ataque 13 y
un borde de salida 15 puede considerarse dividida en tres regiones:
la región de raíz 31 que incluye la porción de la pala que está
próxima al buje del rotor, la región de punta 35 que incluye la
porción de la pala 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 30%-50% de la longitud de la pala. La longitud de
la región intermedia 33 es de aproximadamente el 60%-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.
A los efectos de la presente invención, el
principal problema de la pala de aerogenerador mostrada en la Figura
1 es que el vórtice producido en la región de punta 35 por el flujo
incidente F causa un decrecimiento del rendimiento y una alta
contribución al ruido aerodinámico.
El comportamiento del flujo en las palas de
aerogeneradores puede ser analizado asumiendo una razonable pauta
estacionaria-2D para la mayor parte del área de la
pala. La Teoría del Momento del Elemento de Pala (BEM) produce
buenos resultados en este contexto para finalidades de diseño. Sin
embargo hay otros fenómenos importantes (típicamente efectos
rotacionales 3D y pérdidas por vorticidad) que impiden que la región
de raíz y la región de punta tengan dicho flujo
estacionario-2D. Es necesario por ello tenerlos en
cuenta para diseñar una pala completamente optimizada que maximice
la Producción Anual de Energía (AEP) minimizando los esfuerzos de
las solicitaciones de las cargas.
Las perdidas por vorticidad en la región de
punta pueden ser estudiadas por medio de la circulación envolvente.
La circulación envolvente de la pala debe caer a cero en la punta
(como ocurre en la raíz). La variación de la circulación hacia la
punta (o hacia la raíz) induce una vorticidad dispersada en la
estela desde el borde de salida. La cantidad de vorticidad
dispersada es igual a la tasa de cambio de la circulación envolvente
a lo largo del radio. Esta lámina de vorticidad de la estela (mayor
al final de la pala) contribuye, junto con la circulación envolvente
conducida a través del disco del rotor (promediada azimutalmente), a
las velocidades inducidas axiales y tangenciales aguas arriba del
rotor. Sin la lámina de vorticidad helicoidal, el factor del flujo
axial incidente, promediado azimutalmente, podría establecerse en su
valor óptimo (\sim1/3) a lo largo del disco por la constante
apropiada de la circulación envolvente a lo largo de la pala de cara
a extraer la máxima energía alcanzable del viento. Sin embargo la
necesaria presencia de la lámina de vorticidad (teorema de la
circulación de Kelvin) causa que el factor axial del flujo
incidente, promediado azimutalmente, caiga a cero cuando se acerca a
la raíz o a la punta. La cantidad de energía no transmitida al rotor
se desperdicia en la energía cinética de la lámina de
vorticidad.
De cara a optimizar el rendimiento de la pala,
esta invención proporciona una configuración de la punta dirigida a
alterar el comportamiento del flujo con el objetivo de disminuir las
pérdidas de la punta reduciendo la vorticidad dispersada en la
estela y cambiando la manera en la que se dispersa la
vorticidad.
Una pala de aerogenerador según la presente
invención tiene una región principal 7 de longitud s1, de un perfil
aerodinámico típico con 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, y una región de punta 9 de longitud s2 que comprende
varias puntas 11, 11', 11''.
Al dividir la tradicional región de punta única
35 en varias puntas 11, 11', 11'' el tradicional vórtice de punta se
divide en vórtices más pequeños (uno para cada punta 11, 11', 11'')
de manera tal que la contribución total a las velocidades inducidas
axiales y tangenciales aguas arriba del rotor sean menores que en el
caso de una única punta. Consecuentemente la contribución total a la
pérdida de rendimiento y al ruido aerodinámico es menor que la
original (esto es particularmente importante para las palas de
aerogenerador ya que el ruido de la punta es un factor importante
del diseño).
Como puede verse en las Figuras 3 y 4, estas
puntas 11, 11', 11'' están configuradas como extensiones
longitudinales de la región principal 7 empezando desde su
terminación, de cuerda C1, a diferentes ángulos diédricos A, A', A''
respecto a la región principal 7.
En una realización preferente, las puntas 11,
11', 11'' también pueden estar posicionadas a diferentes ángulos de
paso B, B', B'' como se muestra en la Figura 5, siendo dichos
ángulos de paso los ángulos entre la imaginaria línea recta, ó línea
de cuerda, que se extiende desde el borde de ataque hasta el borde
de salida y la línea de cuerda de la última sección de la región
principal 7.
Preferiblemente cada punta 11, 11', 11'' tiene
una forma aerodinámica con cuerdas decrecientes hacia su
terminación.
El hecho de que las puntas 11, 11', 11'' operen
a diferentes ángulos diédricos y de que también puedan operar a
diferentes ángulos de paso B, B', B'' es importante para evitar que
el vórtice de una punta se pueda fusionar con el generado por
cualquier otra. Como afirma el teorema del desplazamiento de Munk,
la contribución total de las láminas de vorticidad de una superficie
sustentadora no coplanaria a la velocidad inducida total aguas
arriba no es la suma algebraica de la contribución de cada una de
ellas, depende de cómo están geométricamente configuradas
relativamente.
La Figura 6 muestra a efectos comparativos la
distribución de la circulación envolvente en una pala estándar 41,
en una pala con un alerón que aumenta la longitud de la pala 43 (la
técnica conocida para mejorar el comportamiento aerodinámico de la
región de punta demorando el descenso de la circulación envolvente
hasta la nueva terminación de la punta) y en la pala según esta
presente invención 45. Como se muestra en esta Figura la
configuración multi-punta de una pala según la
presente invención permite diferir el descenso de la circulación
envolvente total en la punta mejorando consecuentemente el
comportamiento aerodinámico de la pala.
En una realización preferente, la pala de
aerogenerador según esta invención está provista con medios para
regular individualmente los ángulos diédricos A, A', A'' y/o los
ángulos de paso B, B', B'' de las puntas 11, 11', 11'' de acuerdo
con las condiciones operacionales de cara a obtener el máximo
aprovechamiento del concepto para cualquier velocidad particular del
viento. Dichos medios pueden se actuadores controlables dispuestos
interiormente en la pala, incluyendo por ejemplo un pistón
eléctrico, hidráulico o neumático, conectado a las puntas 11, 11',
11'' a través de una junta que permite su rotación.
En una realización preferente, la longitud s2 de
la región de punta 9 se extiende entre el 1%-10% de la longitud de
la pala.
En otra realización preferente, la longitud de
cada punta 11, 11', 11'' es menor o igual que la longitud de la
punta contigua más cercana al borde de ataque 13 de la pala.
Preferiblemente el número de puntas es de dos o tres.
En otra realización preferente, la región de
punta 9 con puntas 11, 11', 11'' esta hecha como una parte separada
y se une, a modo de un dispositivo de punta, a la región principal 7
de la pala de aerogenerador mediante cualquier medio apropiado 25
(Ver Figura 7).
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 (7)
1. Una pala de aerogenerador comprendiendo una
región principal (7) 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 (15) y el borde de salida (15) y una región
de punta (9), caracterizada porque la región de punta (9)
comprende varias puntas (11, 11', 11'') dispuestas como extensiones
longitudinales de la región principal (7) formando cada una de ellas
un ángulo diédrico (A, A', A'') diferente con la región principal
(7).
2. Una pala de aerogenerador según la
reivindicación 1, caracterizada porque dichas puntas (11,
11', 11'') están posicionadas a diferentes ángulos de paso (B, B',
B'').
3. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-2, caracterizada
porque cada punta (11, 11', 11'') tiene una forma aerodinámica con
cuerdas decrecientes hacia su terminación.
4. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-3, caracterizada
porque la longitud de cada punta (11, 11', 11'') es menor o igual
que la longitud de la punta contigua más próxima al borde de ataque
(13).
5. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-4, caracterizada
porque dichas puntas (11, 11', 11'') tienen medios para cambiar
individualmente su ángulo diédrico (A, A', A'') y/o su ángulo de
paso (B, B', B'').
6. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-5, caracterizada
porque la región de punta (9) está fabricada como una parte separada
y se une, a modo de dispositivo de punta, a la región principal
(7).
7. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-6, caracterizada
porque la longitud s2 la región de punta (9) esta comprendida entre
el 1% y el 10% de la longitud total de la pala.
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| ES2338963B1 (es) | 2011-05-20 |
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