ES2393329B2 - Dispositivo hiper-hipo sustentador para la región de la raíz de una pala de aerogenerador - Google Patents

Abstract

Dispositivo hiper-hipo sustentador para la región de la raíz (1) de una pala de aerogenerador (0) caracterizado porque está formado por un elemento hiper-hipo sustentador integrado en la superficie exterior cilíndrica de la raíz de la pala (1A?) y porque comprende al menos un rotor bicapa exterior (100), con forma de cilindro hueco, que se coloca sobre un estator interior (102), con forma de cilindro hueco, mediante dos cojinetes anulares (101I, 101D), y que se puede colocar en palas existentes sin tener que desmontarlas del aerogenerador.

Description

DESCRIPCION 5 Dispositivo hiper-hipo sustentador para la region de la raiz de una pala de aerogenerador Campo de la invencion 10 La invencion se situa en el ambito de la mecanica de fluidos, y mas concretamente de la maquinaria para aprovechamiento de la energia del viento. La invencion es valida para cubrir todo el rango de potencias y preferentemente formard parte de un generador eOlico para generar energia electrica. La invencion se refiere a un dispositivo hiper-hipo sustentador para la regi6n de la raiz de una pala de aerogenerador. 15 Antecedentes Las palas de los aerogeneradores se conforman con perfiles aerodinamicos a to largo 20 de casi toda su longitud. En la regi6n denominada de raiz, que es la parte de la pala mas cercana al eje de rotacion del buje del aerogenerador, la pala parte de forma totalmente cilindrica para gradualmente ir pasando a un perfil aerodinamico muy grueso y avanzar con perfiles cada vez menos gruesos hasta llegar a la region intermedia que ya se realiza con perfil aerodinamico de anchura estandar. La parte 25 cilindrica depende del disello del aerogenerador, pero es normal que su longitud pueda llegar a ser de varios metros. La parte cilindrica no experimenta fuerza de sustentaciOn alguna, siendo el coeficiente de sustentacion CL nub, y solo aporta a la pala una misi6n estructural. En esta parte el 30 coeficiente de arrastre CD tiene poca importancia, ya que la componente proyectada de la FD (Fuerza de arrastre) sobre el plano perpendicular al eje de giro del rotor, en esta region, es muy pequelia, puesto que la velocidad periferica tambien lo es. En el estado de la tecnica se conocen algunas optimizaciones de palas de los 35 aerogeneradores para la region de la raiz. Se basan en elementos postizos, que fijados al cilindro, le dan forma de perfil aerodinamico, aliadiendo un horde de ataque y/o un horde de salida. Optimizaciones de palas como las citadas pueden observarse en los documentos: US 40 2004013512 Al; ES2330500; entre otros. Estas optimizaciones presentan una problematica que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos: - Los elementos postizos encontrados en el estado de la tecnica solo consiguen un perfil aerodinamico de muy baja eficacia, presentando un bajo coeficiente de sustentaciOn CL. 5 _ Para velocidades de viento bajas, al ser baja la velocidad periferica en esta zona, la velocidad de viento incidente tambien lo es, lo que lleva en estos casos a un coeficiente de sustentacion CL casi nubo _ En los casos en los que el rotor esta parado, y se esta en espera de que se produzca 10 una velocidad de viento minima que permita el arranque, la situaci6n es aim peor, pues el coeficiente de sustentaciOn CL es casi nub. - Cuando el aerogenerador recibe vientos altos de valores nominales, no es necesaria la aportacion de los elementos postizos, ya que incluso hay que rebajar el coeficiente de 15 sustentacion CL del resto de la pala, para no sobrecargar al aerogenerador. - Cuando el aerogenerador recibe vientos muy altos de valores superiores a los nominales, o cuando se produce una desconexion del aerogenerador de la red, se hace necesario eliminar toda sustentaci6n modificando el Angulo de ataque para que el 20 borde de salida pase a recibir al viento, y combinado con la actuaci6n de un fi-eno mecanico, pasar a situar al aerogenerador a una posicion denominada de bandera. El perfil aerodinamico que la invencion preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problematica anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los 25 diferentes aspectos comentados, segim se describe en el resto del documento. Fundamentos de la inveneion La invencion preconiza un dispositivo, que presenta un regulable y elevado coeficiente 30 de sustentaci6n CL, que puede ser positivo y negativo, mediante la disposici6n de un cilindro hueco rotatorio que abraza al cilindro que conforma a la pala en la zona de la raiz, y que se ha denominado rotor bicapa exterior. El rotor bicapa exterior esta unido mecanicamente a la pala, mediante dos pares cinematicos, (uno por cada extremo), disponiendo de un grado de libertad (rotacion sobre su eje de rotacion). En el rotor 35 bicapa exterior se producird un par de giro provocado por la induccion giratoria que genera el estator interior, formado por un nucleo ranurado a base de chapa magnetica y de dos bobinados trifasicos. El rotor bicapa exterior, dispone de una capa interna de metal conductor de la electricidad, para reconducir la corriente generada, y de una capa externa de acero magnetic°, para cerrar las lineas de campo magnetic°. 40 Un cilindro rotatorio experimenta, al girar sobre su eje de revolucion, una fuerza de sustentacion cuando esta inmerso en un fluido en movimiento. A este principio se le denomina efecto Magnus (1852). 45 Los modelos teoricos matematico-fisicos del efecto Magnus son altamente complejos, por lo que se tienen que emplear aproximaciones basadas en la teoria de flujo potencial ajustadas con datos experimentales o emplear tecnicas computacionales de dinamica de fluidos (CFD). La fuerza de sustentaci6n generada es perpendicular al piano formado por la direcci6n 5 del viento o de traslacion del objeto y el eje de rotacion. Para una pala, la velocidad especifica o relacion de velocidad periferica TSR (Tip Speed Ratio) viene expresada por: TSR = Vca (m/s) Velocidad perif erica de la pala (m/ s) 10 Andlogamente, para un cilindro que carezca de movimiento de translacion o de rotaci6n respecto de otro eje distinto al suyo, se define el coeficiente de velocidades como: Velocidad perif erica del cilindro (ml s) = Voo (m/s) 15 En el caso de la invencion, trabajaremos con y gt; 1. En el caso de la invencion, tendremos velocidades de viento 14,„ que oscilan entre 5 y 25 m/s y longitudes caracteristicas Lc que en este caso corresponden como minimo al espesor maximo del perfil, entre 0,02 y 0,20 m. El numero de Reynolds Re, viene 20 expresado por: Vco (m/ s) • Lc (m) Re= v (m/ s2) Para una viscosidad cinematica v (m/s2) del aire de 1,5.10-5 m/s2 tendremos, un nOmero de Reynolds comprendido entre 6.666,6 y 333.333,3, por lo que 25 consideraremos aceptable la aproximaciOn Re gt; 104, pese a que en ciertos casos estemos ligeramente por debajo de ese valor. 30 Efecto Magnus para numeros de Reynolds altos (Re gt; 104) Para numeros de Reynolds altos, las fuerzas de inercia son mucho mas importantes que las debidas a la viscosidad. El comportamiento difiere para valores de y lt; 1 y 9 gt; 1. 35 Influencia de la velocidad especifica De acuerdo con las tecnicas CFD, se deduce que el comportamiento difiere para valores de cp lt; 1 y 9 gt; 1. El caso de y lt; 1 no es relevante para la invencion. Para 9 gt; 1, la capa limite se vuelve totalmente turbulenta y los parametros CL y CD son practicamente independientes del ninnero de Reynolds. La relacion de CL/CD con cp es creciente, debido al aumento de la velocidad de rotacion. Segim se puede ver en la tabla siguiente, obtenida en reiteradas simulaciones, y en la que, 5 Vac, (m/s), es la velocidad de viento impuesta en la condicion de contorno como entrada. n (rpm), es la velocidad de giro del cilindro hueco rotatorio. o (rad/s), es la velocidad anterior expresada en unidades del S.I. 10 d (m), es el diametro exterior del cilindro hueco rotatorio. Vp (m/s), es la velocidad lineal periferica del cilindro hueco rotatorio. cp, es el coeficiente adimensional de velocidades. CD, es el coeficiente de arrastre o Cx. CL, es el coeficiente de sustentacion o C. 15 Cl/CD, es la relacion entre coeficientes. P (W/m), es la potencia por unidad de longitud necesaria para mantener el giro del cilindro hueco rotatorio. 20 V. (m/s) n (rpm) w (rad/0 d ) VP (m/s) CP CD CL CAD P (W/m) 5 0 0,0 0,50 0,00 0,0 0,62 0,06 0,10 0,00 5 -750 78,5 0,50 19,63 3,9 0,96 2,88 3,00 11,00 5 -1500 157,1 0,50 39,27 7,9 1,02 3,81 3,74 79,33 5 -3000 314,2 0,50 78,54 15,7 1,39 8,10 5,83 603,19 5 3000 314,2 0,50 78,54 15,7 1,39 -8,10 -5,83 -596,90 Podemos comprobar la tendencia de la relacion CL/CD con cp, y podemos comprobar los diferentes valores de CL y CD, en relacion con un cilindro estatico, que nos sirve de elemento de control, y cuyos valores se pueden ver en la primera fila de la tabla. En la 25 Altima Ilia de la tabla, se puede ver el caso de hipo-sustentaci6n al hacer que el cilindro gire a contracorriente. La velocidad incidente de viento, en un cilindro, cuando describe un movimiento de rotacion alrededor del eje, vendra expresada por: 30 ..\112c2,3 (0 rotor = t -rotor Lpata)2 y el coeficiente de velocidades por: = Vi (m/s) V elocidad peri f erica del cilindro (m/s) sustituyendo y desarrollando la expresion anterior, tendremos. wcit • rcii vci (Wrotor Lpala)2 Lpaia, variable, es la longitud comprendida entre el eje de rotacion del rotor y la secciOn 5 de la pala objeto de estudio. Varia desde 0 hasta LpALA (siendo esta la longitud total de la pala). Sumario de la invencion 10 Un primer objetivo de la presente invenciOn es dotar a la tecnica de un dispositivo para optimizar la region de la raiz de una pala de aerogenerador, dotando a esta region de hipersustentacion (coeficiente de sustentacion CL gt; 0) o de hipo-sustentacion (coeficiente de sustentacion CL lt; 0), segim se desee. 15 Un segundo objetivo de la presente invencion es dotar a la tecnica de un dispositivo para optimizar la region de la raiz de una pala de aerogenerador, que permita que el aerogenerador pueda an-ancar a velocidades de viento inferiores a la velocidad de arranque (correspondiente al dispositivo sin esta invencion), y que permita que el aerogenerador pueda alcanzar su velocidad de rotacion nominal con el fin de poder 1 20 mantener el movimiento con velocidades de viento bajas. Un tercer objetivo de la presente invenciOn es dotar a la tecnica de un dispositivo para optimizar la region de la raiz de una pala de aerogenerador, que permita que el aerogenerador pueda mantener su rotacion a velocidades de viento baj as, permitiendo 25 estar en disposicion idonea de recibir vientos aprovechables. Un cuarto objetivo de la presente invencion es dotar a la tecnica de un dispositivo para - optimizar la regi6n de la raiz de una pala de aerogenerador, que permita generar una hipo-sustentacion con un coeficiente de sustentaci6n CL lt; 0, para poder seguir 30 funcionando el aerogenerador con velocidades de viento altas. Un quinto objetivo de la presente invenciOn, es dotar a la tecnica de un dispositivo para optimizar la regi6n de la raiz de una pala de aerogenerador, que permita generar una hipo-sustentacion con un coeficiente de sustentaci6n CL lt; 0, para poder ayudar a parar 35 el aerogenerador en caso de tener que realizar una parada de emergencia. Un Ultimo objetivo de la presente invenciOn, es dotar a la tecnica de un dispositivo para optimizar la region de la raiz de una pala de aerogenerador, que se puede utilizar en palas ya instaladas, sin tener que desmontarlas, facilitando las tareas de fabricacion y 40 transporte, ademas del montaje en palas existentes. Los objetivos citados y otros, los proporciona la presente invencion mediante un elemento hiper-hipo sustentador integrado en la superficie exterior cilindrica de la raiz de la pala, formado por: - un rotor bicapa exterior con forma de cilindro hueco , que esta formado por dos mitades identicas que una vez unidas y atornilladas forman un imico 5 cuerpo, y que esta formado por dos capas rigidamente unidas, una capa interna de metal buen conductor de la electricidad como aluminio y otra capa externa de acero magnetic° - un estator interior con forma de cilindro hueco, que está formado por dos 10 mitades identicas que una vez unidas y atornilladas forman un imico cuerpo, y que se compone cada mitad de un nifcleo ranurado a base de chapa magnetica apilada y de un bobinado trifasico, y que su superficie interna abraza la superficie externa cilindrica de la raiz de la pala 15 - dos cojinetes anulares, cada uno de los cuales esta formado por dos mitades identicas, que una vez unidas y atornilladas forman un Arlie° cuerpo, que se ensamblan rigidamente sobre la superficie externa del estator interior, y que soportan el rotor bicapa extern° permitiendo a este que disponga de un grado de libertad de rotacion sobre su eje longitudinal. 20 Breve descripcion de las figuras La figura 1, muestra una vista esquematica en planta, de una realizacion preferente, 25 segim la presente invencion, de una pala de aerogenerador. 30 La figura 2, muestra una vista en perspectiva isometrica, de una realizacion preferente, segim la presente invencion, del dispositivo hiper-hipo sustentador ubicado en la zona cilindrica de la region de la raiz de la pala. La figura 3, muestra una vista en perspectiva isometrica de montaje, de una realizacion preferente, segtan la presente invencion, de los diferentes elementos que forman el dispositivo hiper-hipo sustentador. ` 35 La figura 4, muestra un esquema electric°, de una realizaciOn preferente, segim la presente invencion, del bobinado trifasico del estator interior y del conexionado del mismo. La figura 5, muestra una grafico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante 40 un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion de 0 rpm. La figura 6, muestra una grafico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior de la 45 presente invenciOn con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion de 750 rpm. La figura 7, muestra una grafico de contornos de presion estatica obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior de la presente invenciOn con una entrada de viento de 5m/s y una rotaci6n de 0 rpm. 5 La figura 8, muestra un grafico de contornos de presion estatica obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion de 750 rpm. La figura 9, muestra una grafico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante 10 un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion a contracorriente (sentido antihorario) de 3000 rpm. 15 Descripcion detallada de las realizaciones preferidas La figura 1, muestra una vista esquematica en planta de una realizacion preferente segun la presente invencion de una pala de aerogenerador (0). Consta de tres regiones 20 bien diferenciadas: a) region de raiz (1A), compuesta por subregi6n inferior (1A') y subregion superior (1Aquot;). b) region intermedia (1B). 25 c) region de punta (1C). El dispositivo hiper-hipo sustentador (1) que preconiza la invenciOn, se aplicard a la parte cilindrica de la regi6n de la raiz (1A'). Normalmente esta parte puede llegar a tener una longitud vista de varios metros, y el dispositivo cubrird la mayor parte de 30 dicha longitud pudiendose llegar al 99 %. La figura 2, muestra una vista en perspectiva isometrica, de una realizacion preferente, segun la presente invencion, del dispositivo hiper-hipo sustentador (1) ubicado en la zona cilindrica de la region de la raiz (1A') de la pala. Puede observarse el cableado 35 electric° (105, 106) proveniente del sendos bobinados trifasicos (102B, 102C) del estator interior (102), que mediante un orificio cualquiera realizado en la pala, permite llegar interiormente hasta el interior del aerogenerador d6nde se situard el equipo de alimentacion electrica y regulacion. 40 La figura 3, muestra una vista en perspectiva isometrica de montaje, de una realizacion preferente, segim la presente invencion, de los diferentes elementos que form an el dispositivo hiper-hipo sustentador (1): - un rotor bicapa exterior (100) con forma de cilindro hueco, que esta formado 45 por dos mitades identicas que una vez unidas y atomilladas forman un imico 5 10 cuerpo, y que esta formado por dos capas rigidamente unidas, una capa interna (100B) de metal buen conductor de la electricidad como aluminio y otra capa externa (100A) de acero magnetic°. - un estator interior (102) con forma de cilindro hueco, que esta formado por dos mitades identicas, que una vez unidas y atornilladas forman un Anico cuerpo, y que se compone cada mitad de un nude° ranurado (102A) a base de chapa magnetica apilada y de un bobinado trifasico (102B, 102C), y que su superficie interna abraza la superficie externa cilindrica de la raiz de la pala. - dos cojinetes anulares (1011, 101D), cada uno de los cuales esta formado por dos mitades identicas, que una vez unidas y atornilladas forman un Anico cuerpo, que se ensamblan rigidamente sobre la superficie externa del estator interior, y que soportan el rotor bicapa externo permitiendo a este que disponga 15 de un grado de libertad de rotaci6n sobre su eje longitudinal. La figura 4, muestra un esquema electric°, de una realizacion preferente, segim la presente invencion, de cada bobinado trifasico (102B, 102C), de 2 polos, 18 ranuras y 9 bobinas, del estator interior (102). Se puede apreciar en la parte derecha de la figura 20 la conexion preferente en estrella, tres bobinas por fase, y la indicacion de bobinas, y de principios (P) y finales (F). La figura 5, muestra un grafico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior (100) 25 de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion de 0 rpm. En estas condiciones de simulacion, que coincidiran con el estado de la pala sin la integracion de la invencion, el dispositivo presenta un CD de 0,62, un CL de 0,06, y un CL/CD de 0,097. 30 La figura 6, muestra una grafico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior (100) de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion de 750 rpm. En estas condiciones de simulacion, que llevan a funcionar con hiper-sustentacion, se tiene un CD de 0,96, un CL de 2,88, y un CL/CD de 3. 35 La figura 7, muestra una grafico de contornos de presion estatica obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior (100) de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotacion de 0 rpm. Este grafico de presiones es un indicativo del comportamiento aerodinamico de la 40 invencion en estado de parada. La figura 8, muestra un grafico de contornos de presion estatica obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior de la presente invencion con una entrada de viento de 5 m/s y una rotaci6n de 750 rpm. Este 45 grafico de presiones es un indicativo del comportamiento aerodinamico de la invencion en estado de funcionamiento. La figura 9, muestra una grafico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulacion de CFD, al que se ha sometido el rotor bicapa exterior (100) de la presente invencion con una entrada de viento de 5m/s y una rotaci6n a 5 contracorriente (sentido antihorario) de 3000 rpm. En estas condiciones de simulacion, que llevan a funcionar con hipo-sustentacion, se tiene un CD de 1,4 un CL de -8,1 y un CL/CD de -5,8.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo hiper-hipo sustentador para la region de la raiz (1) de una pala de 5 aerogenerador (0) caracterizado porque esta formado por un elemento hiper-hipo sustentador integrado en la superficie exterior cilindrica de la raiz de una pala (1A') de un aerogenerador y porque comprende al menos - un rotor bicapa exterior (100) con forma de cilindro hueco, que esta formado 10 por dos mitades identicas que una vez unidas y atornilladas forman un imico cuerpo, y que esta formado por dos capas rigidamente unidas, una capa interna (100B) de metal buen conductor de la electricidad como aluminio y otra capa externa (100A) de acero magnetico 15 - un estator interior (102) con forma de cilindro hueco, que esta formado por dos mitades identicas que una vez unidas y atornilladas forman un tnico cuerpo, y que se compone cada mitad de un nircleo ranurado (102A) a base de chapa magnetica apilada y de un bobinado trifasico (102B, 102C), y que su superficie interna abraza la superficie externa cilindrica de la raiz de la pala 20 (1A'). - dos cojinetes anulares (1011, 101D), cada uno de los cuales esta formado por dos mitades identicas, que una vez unidas y atornilladas forman un unico cuerpo, que se ensamblan rigidamente sobre la superficie externa del estator 25 interior (102) y que soportan el rotor bicapa extern° (100) permitiendo a este que disponga de un grado de libertad de rotacion sobre su eje longitudinal.

2. Dispositivo hiper-hipo sustentador para la region de la raiz (1) de una pala de aerogenerador (0), segim la reivindicacion 1, caracterizado porque su diametro 30 interior coincide con el diametro exterior de la parte cilindrica de la raiz de la pala y porque su diametro exterior esta comprendido entre un 105% y un 150% del diametro exterior de la parte cilindrica de la raiz de la pala y porque permite cubrir el 99% de la longitud vista de la parte cilindrica de la raiz de una pala (1A'). 35

3. Dispositivo hiper-hipo sustentador para la region de la raiz (1) de una pala de aerogenerador (0), segfin la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho dispositivo se puede montar en la raiz de una pala (1A') existente sin tener que desmontarse la del aerogenerador, mediante unos tornillos (1001, 1002, 10111, 40 10112, 1021, 1022, 101D1 y 101D2) que ensamblan sendas mitades identicas del rotor bicapa exterior (100), estator interior (102), y cojinetes anulares (1011, 101D). 45