ES2574653T3

ES2574653T3 - Turbina y compresor que utilizan un diseño de rotor con borde de ataque con tubérculos

Info

Publication number: ES2574653T3
Application number: ES05797075.8T
Authority: ES
Inventors: Stephen W. Dewar; Philip Watts; Frank Eliot Fish
Original assignee: WHALEPOWER Corp
Current assignee: WHALEPOWER Corp
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2016-06-21
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: CA2587946C; CA2587946A1; DK1805412T3; WO2006042401A1; EP1805412B1; CN101107441A; PT1805412E; US20090074578A1; EP1805412A4; EP1805412A1; US8535008B2; CN101107441B

Abstract

Una turbina/compresor que comprende: al menos un dispositivo magneto-eléctrico; un tren de transmisión acoplado a dicho dispositivo magneto-eléctrico; y una pluralidad de palas de rotor acopladas a dicho tren de transmisión, teniendo cada pala de rotor un borde de ataque conformado que se extiende generalmente a lo largo de la longitud de dicha pala de rotor, estando dicho borde de ataque conformado para definir una serie de tubérculos separados que se extienden hacia delante estando dichos tubérculos dimensionados y proporcionados para mejorar la sustentación, proporcionar características mejoradas de parada, reducir la fricción y reducir el bombeo de envergadura.

Description

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DESCRIPCION

Turbina y compresor que utilizan un diseno de rotor con borde de ataque con tuberculos Campo de la invencion

La presente invencion se refiere en general a la captura eficaz de la fuerza del viento y de otros fluidos en movimiento, incluyendo pero no limitado al agua y al vapor de agua y la conversion de esa fuerza en la generacion de energla electrica, u otras formas de energla utilizables. Mas particularmente, la presente invencion se refiere a un nuevo compresor y turbina que utilizan un diseno de un rotor con borde de ataque con tuberculos configurado para mejorar la sustentacion y reducir la friccion.

Antecedentes de la invencion

Los molinos de viento y los molinos hidraulicos se han utilizado durante siglos para bombear agua o para alimentar una amplia gama de dispositivos mecanicos. Durante el siglo pasado ambos se han convertido en importantes medios de generacion de energla electrica.

En los ultimos anos ha sido empleado un considerable esfuerzo para mejorar la eficiencia de las turbinas eolicas e hidraulicas utilizadas para la generacion de energla electrica con el fin de reducir la dependencia de los recursos no renovables. La expansion significativa de la capacidad de generacion de energla de este tipo de turbinas eolicas e hidraulicas sera, no obstante, altamente dependiente de las mejoras en la tecnologla existente. Esto se debe al hecho de que "los emplazamientos primarios" para las turbinas eolicas e hidraulicas, que tienen flujos de energla media comparativamente altos y estan razonablemente cerca de las carreteras y de las redes de energla, son cada vez mas escasos. Como consecuencia, se reconoce ampliamente que si se quieren alcanzar aumentos futuros proyectados en la capacidad de generacion de energla de turbinas eolicas e hidraulicas, las tecnologlas actuales deben mejorarse con el fin de obtener mas energla de las turbinas eolicas e hidraulicas existentes en los emplazamientos primarios. Tales mejoras, por supuesto, tambien deben permitir el despliegue eficiente de las turbinas eolicas e hidraulicas en los emplazamientos secundarios, que ofrecen flujos de energla poco significativos. De hecho, las iniciativas para mejorar las tecnologlas de turbinas eolicas e hidraulicas existentes estan en marcha en todo el mundo en una serie de programas publicos y privados, muchos de los cuales se conocen como cualquiera de las tecnologlas de "baja velocidad de viento" o de "bajo calda (agua)".

El desarrollo de las tecnologlas de baja velocidad de viento y de baja calda de agua se ha fomentado activamente por los gobiernos de muchos palses. Por ejemplo, en los Estados Unidos de America, el Departamento de Energla ha establecido asociaciones publicas/privadas para fomentar el desarrollo de ambos tipos de generacion de energla. Tlpicamente, estas estrategias implican el desarrollo de turbinas con rotores mas grandes y de grandes instalaciones disenadas para capturar mas energla mediante la interaction con una parte mas grande del flujo de fluido.

La investigation y el desarrollo reciente de turbinas de baja velocidad de viento y de baja calda de agua, y en especial las turbinas de baja velocidad de viento, demuestra claramente que hasta la fecha, las mejoras han sido incrementales en lugar de fundamentales. En lo que respecta al desarrollo de turbinas de baja velocidad de viento, por ejemplo, practicamente todos los proyectos de investigacion de turbinas de baja velocidad de viento estan disenados para explorar la misma lista reducida de opciones, incluyendo las siguientes:

(a) el desarrollo de turbinas mas grandes para cosechar una mayor area de afluencia;

(b) el desarrollo de torres mas altas para llevar palas de rotor de mayor tamano y tomar ventaja de la velocidad de viento superior a mayores alturas;

(c) las combinaciones mas eficientes de generadores, los dispositivos tren de transmision y electronicas de potencia mejoradas;

(d) el desarrollo de turbinas mas flexibles y de torres, (incluidas palas articuladas, configuraciones flexibles y medios de fabrication, etc.) y,

(e) los diversos enfoques que permiten el funcionamiento en condiciones de viento muy variables tales como rafagas.

Tambien se espera que futuros proyectos de investigacion consigan mejoras incrementales para otras tecnologlas utilizadas para disenar, fabricar y controlar las turbinas de baja velocidad de viento. Por ejemplo, se preve que se desarrollaran trenes de transmision avanzada, nuevas tecnicas de fabricacion del rotor, y mejoras en el control de la turbina de baja velocidad de viento y de la tecnologla de monitorizacion. Estas mejoras en conjuncion con menores costes para montar turbinas de baja velocidad de viento muy altas, in situ dara lugar a aumentos en la capacidad de generacion de energla de turbinas de baja velocidad de viento.

Es importante tener en cuenta que practicamente todos los proyectos de investigacion de la turbina de baja velocidad de viento se han centrado en el desarrollo de turbinas mas grandes capaces de producir entre 1 y 6 megavatios de electricidad. Este aumento de la escala se ha producido a pesar de que los rotores de turbina mas

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grandes son a menudo menos eficientes que los mas pequenos desde un punto de vista del coste. El coste de la tierra para los emplazamientos, las consideraciones esteticas y el coste de establecer conexiones a la red, los costes de mantenimiento y los costes de la construccion de vlas de acceso, pueden superar con creces cualquier beneficio que se derive de la mejora de la capacidad de generacion de energla de estas turbinas de baja velocidad de viento mas grandes. Tambien es importante tener en cuenta que el diseno de turbinas de baja velocidad de viento con rotores de turbinas mas grandes sufren otros problemas ademas de ser poco rentables. Como el tamano de las palas de la turbina aumenta, las torres de las turbinas deben crecer en tamano y fuerza. Las escalas actuales ya requieren de secciones de la torre que estan cerca del llmite de lo que puede ser transportado por carreteras existentes y montado in situ. Las palas articuladas o flexibles y las torres denominadas "suaves" (o ligeramente flexibles) ofrecen un potencial para un mayor crecimiento en la escala de turbinas de baja velocidad de viento, pero parece que la tecnologla convencional se esta acercando a los llmites superiores de escala practica.

Problemas inherentes similares han afectado el despliegue de turbinas de baja calda de agua de mayor escala. Los intentos de aumentar la escala de flujo de entrada han impuesto considerables costes de construccion y han establecido llmites practicos en el numero de emplazamientos con suficiente flujo para justificar el gasto.

Un ejemplo de un rotor para absorber la energla de un fluido que fluye y/o para entregar energla a un fluido que fluye, se divulga en CA 2,068,539 (Moser, Joseph), en el que el rotor consiste en un buje y, al menos, una pala de rotor. Para lograr el objeto, para el diseno de un rotor del tipo en cuestion, de que la eficiencia del rotor sea mejorada aun mas durante la absorcion de la energla de un fluido que fluye y durante la entrega a un fluido que fluye, la al menos una pala de rotor comprende al menos una onda aerodinamica y/o hidrodinamica, que define dos bordes con la parte plana de la pala de rotor. Ese borde que es abordado por el flujo radial esta inclinado en un angulo respecto a la normal en los bordes de la pala de rotor, de manera que dicho borde se extiende en direccion exterior desde el borde de la pala de rotor que ataca la direccion de rotacion, mientras que el otro borde esta en angulo recto con los bordes de la pala de rotor.

Un ejemplo de una estructura para su uso como un ala de avion, una pala propulsora, una pala sopladora, o una pala de ventilador se describen en el documento GB 791,563 (Vaghi, Joseph), que comprende un miembro alargado que tiene una anchura mayor que su espesor y que tiene un borde que se extiende longitudinalmente, sustancialmente recto, mientras que su otro borde longitudinal tiene un contorno ondulado corrugado inversamente curvado que continua en rangos trasversales interconectados del miembro en forma de una serie alternativa de nervaduras convexas y unos rebajes concavos entre los bordes longitudinales, caracterizado por la caracterlstica de que el contorno ondulado en el segundo borde longitudinal mencionado es mayor y se forma sustancialmente en toda la anchura de la lamina de aire, de tal manera que la altura de las nervaduras convexas y la profundidad de los rebajes concavos disminuye gradualmente desde este borde longitudinal, de forma sustancial, al borde longitudinal recto, de manera que los bordes de la lamina de aire tienen una superficie corrugada correspondiente.

El documento WO 98/22711 proporciona un ejemplo mas de una pala de aerogenerador con multiples turbuladores dispuestos en el borde de ataque para amortiguar o prevenir completamente vibraciones de parada.

Se apreciara de lo anterior que hay una necesidad de mejoras en el diseno de turbinas eolicas e hidraulicas, que ofrezcan una mayor eficiencia sin aumentos significativos en los costes. Es por tanto un objeto de la presente invencion proporcionar una turbina/compresor novedosos.

Resumen de la invencion

De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona una turbina/compresor de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

Se proporciona una turbina/compresor eolica e hidraulica con una mayor eficiencia en comparacion con disenos de turbina/compresor del estado de la tecnica anterior. Esto se consigue utilizando un rotor que presente una sustentacion mejorada, una aerodinamica reducida y resultado a la friccion parasitaria y una resistencia mejorada a la parada.

Por consiguiente, en un aspecto, se proporciona una turbina/compresor que comprende: al menos un dispositivo magneto-electrico;

un tren de transmision acoplado a dicho dispositivo magneto-electrico; y

al menos una pala de rotor acoplada a dicho tren de transmision, teniendo dicha pala de rotor un borde de ataque conformado, configurado para mejorar la sustentacion y reducir la friccion.

El borde de ataque incluye una serie de tuberculos separados formados a lo largo del mismo. La turbina/compresor puede comprender ademas un sistema de control para ajustar la orientacion de la pala de rotor de manera que la pala de rotor se enfrenta al flujo de fluido entrante. La turbina/compresor puede incluir tambien un segundo sistema de control para alterar la forma de la pala de rotor. El segundo sistema de control puede alterar el cabeceo de la pala de rotor y/o puede alterar la separation y/o la forma de los tuberculos.

En un modo de realization, el tren de transmision es un arbol acoplado directamente a la pala de rotor y al dispositivo magneto-electrico. En otro modo de realization, el tren de transmision incluye una disposition de arbol de transmision y una disposition de transmision que actua entre la pala de rotor y el dispositivo magneto-electrico.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona una turbina/compresor que comprende:

5 al menos un generador;

un tren de transmision acoplado a dicho generador; y

al menos una pala de rotor acoplada a dicho tren de transmision, teniendo dicha pala de rotor un borde de ataque conformado con una serie de tuberculos separados formados a largo del mismo.

10 La turbina/compresor proporciona ventajas ya que la sustentacion adicional generada por las palas de rotor no contribuye a una friction adicional, sino mas bien, mejora la relation sustentacion / friction. Como consecuencia de ello, puesto que las palas de rotor presentan menor friction, se requiere menos fuerza estructural para las torres de apoyo en cualquier entorno de viento dado. Por supuesto, esto se traduce en menores costes. Ademas, mediante el ajuste de la orientation de las palas de rotor de modo que tengan un cabeceo escalonado dentro del flujo de fluido, 15 se puede mejorar aun mas la sustentacion. Las caracterlsticas de la sustentacion mejorada permiten que se capture mas potencia de flujos de fluidos disponibles. La caracterlsticas de parada mejorada de la pala de rotor provoca una reduction de la friction por lo tanto, permitiendo que la pala de rotor funcione en una gama mas amplia de tasas de flujo de fluido y aumente aun mas la cantidad de energla que puede ser capturada del flujo de fluido disponible. Ademas, la forma de las palas de rotor ayuda a reducir el bombeo de envergadura y, por tanto, la turbulencia en la 20 punta del rotor y, por tanto, se reduce el ruido.

Breve description de los dibujos

Los modos de realization se describiran ahora mas completamente con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1A es una vista en perspectiva de una section de una pala de rotor de turbina que tiene tuberculos a lo largo de su borde de ataque enfrente del mastil de soporte de carga de la pala de rotor;

25 La figura 1B es una vista en planta de una pala de rotor de turbina que tiene protuberancias a lo largo de su borde de ataque, siendo omitido el giro en la pala de rotor para facilitar la ilustracion;

La figura 1C es una vista en planta de una conexion de pala de rotor que tiene protuberancias a lo largo de su borde de ataque, siendo omitido el giro en la conexion de las palas de rotor para facilitar la ilustracion;

La figura 2 es una vista lateral de la section de pala de rotor de turbina representada en la figura 1A;

30 La figura 3A es una vista lateral de una turbina de flujo de fluido simplificada que utiliza palas de rotor de turbina del tipo mostrado en las figuras 1A y 1B o una pala de rotor de turbina convencional montada en las conexiones de la pala de rotor de la figura 1C acopladas a un generador a traves de un arbol de transmision directa;

La figura 3B es una vista lateral de un generador de turbina de flujo de fluido simplificada empleando palas de rotor de la turbina de ajuste manual del tipo mostrado en las figuras 1A y 1B o palas de rotor de una turbina convencional 35 provistas de las conexiones de la pala de rotor de la figura 1C acopladas a un generador a traves de un tren de engranajes;

La figura 3C es una vista lateral de una turbina que emplea las palas de rotor de la turbina del tipo mostrado en las figuras 1A y 1B o palas de rotor de una turbina convencional provistas de conexiones de la pala de rotor de la figura 1C con una transmision de guinada para mantener la orientation de las palas de rotor de modo que se enfrenta 40 dentro del flujo de fluido entrante; y

La figura 3D es una vista lateral de generadores en llnea que emplean palas de rotor de turbina del tipo mostrado en las figuras 1A y 1B o palas de rotor de una turbina convencional provistas de las conexiones de pala de rotor de la figura 1C.

Descripcion detallada de los modos de realizacion

45 Volviendo ahora a las figuras 1A, 1B y 2, se muestra una pala de rotor de turbina y, en general se identifica por el numero de referencia 10. Como se puede apreciar, la pala 10 de rotor de turbina esta acoplada a un buje 12 fijo (vease la figura 3A) y tiene un cuerpo 14 de pala que se extiende desde una ralz 16 a una punta 18 de la pala. Una viga 20 estructural tal como una “D-spar” esta conformada de forma integral dentro del cuerpo 14 de la pala permitiendo que la energla de rotation sea transmitida al buje 12. El cuerpo 14 de la pala tiene un borde 22 de 50 ataque.

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A diferencia de las palas de rotor de una turbina convencional, el borde 22 de ataque se proporciona con tuberculos 24, a lo largo de su longitud entre la raiz 16 y la punta 18 de la pala, similares a los descritos en la Patente de EE.UU. No. 6.431.498. Los tuberculos 24 en este caso esta normalmente separados de manera uniforme a lo largo del borde 22 de ataque y proporcionan a la pala 10 de rotor una sustentacion mejorada y mejores caracteristicas de parada mientras que al mismo tiempo, reducen la friccion que muestra la pala 10 de rotor.

Aunque no se ilustra, la pala 10 de rotor de turbina esta, de hecho, retorcida para tener en cuenta las diferentes velocidades de viento encontradas por la pala 12 de rotor entre la punta 18 de la pala y la raiz 16 como resultado del giro de la pala de rotor alrededor del buje 12 fijo. Por ejemplo, si la velocidad de la punta 18 del rotor es de 64 m/s, la velocidad en un punto a lo largo de la pala 12 de rotor que es una cuarta parte de la distancia desde el buje 12, sera de 16 m/s. Como es sabido por los expertos en el estado de la tecnica, las caracteristicas de parada de la pala 10 de rotor son una funcion de la velocidad del flujo de fluido y del angulo en el que el flujo de fluido impacta a la pala de rotor. El retorcimiento a lo largo de la pala 10 de rotor evita tener una parte de la pala de rotor parada, produciendo asi una fuerza de frenado sobre la rotacion, mientras que otra parte de la pala de rotor esta generando sustentacion, lo cual produce la rotacion.

Como los tuberculos 24 en el borde 22 de ataque de la pala 10 de rotor proporcionan a la pala de rotor una mayor sustentacion y mejores caracteristicas de parada, el grado de torsion dispuesto en la pala 10 de rotor se selecciona para tener en cuenta estas caracteristicas de manera que una sustentacion mejorada y mejores caracteristicas de parada puedan traducirse en un aumento de la eficiencia de la generacion de energia electrica, en particular, la caracteristica de sustentacion mejorada de la pala 10 de rotor permite un mayor poder de captura de flujos de fluidos disponibles. La caracteristica de parada mejorada de la pala de rotor provoca por lo tanto una reduccion de la friccion, permitiendo que la pala 10 de rotor funcione en una gama mas amplia de tasas de flujo de fluido y aumenta aun mas la cantidad de energia que puede ser capturada desde el flujo de fluido disponible. Esta ultima caracteristica es de particular importancia a la luz de la necesidad de girar la pala de rotor con el fin de reducir la parada en radios internos lo que permite que la parte de la pala 12 de rotor mas cercana a la raiz 16 cabecee en un angulo mas pronunciado. Como resultado, se genera sustentacion en la porcion interna de la pala 10 de rotor a diferencia de disenos de rotor convencionales. Ademas, los tuberculos 24 en el borde 22 de ataque de la pala 10 de rotor reducen el bombeo de envergadura y por lo tanto la turbulencia de la punta de la pala y en consecuencia reducen el ruido.

Volviendo ahora a la figura 3A, se muestra una turbina 50 que emplea palas 10 de rotor del tipo anteriormente descrito. Como puede verse, la turbina 50 incluye un generador 52 acoplado al buje 12 mediante un arbol 54 de transmision del rotor. La turbina 50 en este modo de realizacion es particularmente adecuada para su uso en entornos de flujo de fluido estables tales como por ejemplo los flujos de agua en caida, generadores de vapor, y generadores de turbinas de chorro/gas, etc., que pueden ser operados con el fin de producir una tasa de flujo de fluido controlada en las palas 10 de rotor. Proporcionar dicho flujo de fluido controlado para las palas 10 de rotor produce la rotacion de las palas 10 de rotor y del buje 12, que a su vez produce la rotacion del arbol 54 de transmision. Como el arbol 54 de transmision esta unido directamente al rotor del generador 52, la rotacion del rotor resulta en la produccion de electricidad a una velocidad optimizada estable.

De forma alternativa, la turbina 50 puede estar configurada como una turbina eolica de accionamiento directo. En este caso, el generador 52 incluye un rotor magnetico permanente (no mostrado) conectado directamente al arbol 54 de transmision. La rotacion del rotor magnetico resulta en la generacion de una corriente electrica variable. La corriente electrica variable generada es a su vez alimentada a la electronica del control de potencia para su conversion en corriente la cual puede ser suministrada a una red electrica o a dispositivos electricos locales. En este modo de realizacion, la turbina, preferentemente, incluye medios o bien manuales o automaticos para orientar la turbina con respecto al viento como se describira. El tamano del generador 52 es preferentemente coincidente con los niveles de flujo de viento tipicos de forma que se consiguen eficiencias deseadas.

La turbina 50 tambien se puede emplear en una configuracion de transmision directa utilizada en aplicaciones de turbina de potencia de agua de alta caida y de vapor de agua, en las que el flujo de fluido que se acopla a las palas 10 de rotor es lo suficientemente rapido para girar el arbol 54 de transmision a un velocidad alta, con la que se pueden implementar generadores 52 de una escala muy grande. En dichas aplicaciones en las que el flujo de fluido esta controlado de manera que permanece en o cerca de una tasa deseada, el diseno de las palas 10 de rotor puede coincidir con las tasas de flujo conocidas permitiendo que se genere una maxima potencia sin requerir un control activo o pasivo de la parada del rotor. Sin embargo, en las aplicaciones en las que la tasa de flujo de fluido es variable de una manera o bien ambiental o controlada, la pala de rotor puede estar configurada para mantener el control de potencia pasivo (a traves de las caracteristicas de parada de la pala) o un control de potencia activo a traves de la actuation de los controles de cabeceo. Una o ambas de estas tecnicas de control de potencia se emplean preferentemente cuando la turbina esta implementada como una turbina eolica (aerogenerador). Se ha de tener en cuenta como una cuestion practica que los disenos de generadores existentes adecuados para operaciones de transmision directa, a tasas de giro de bajas a moderadas, tienden a ser demasiado grandes para su implementation economica en turbinas eolicas por encima de los 6 MW.

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Es posible emplear un control de parada o cabeceo para mantener una tasa constante razonable de giro para dichas turbinas. Sin embargo es bien conocida en el Estado de la tecnica que las turbinas eolica son menos eficientes cuando funcionan a tasas de giro constantes. Como consecuencia, las turbinas de transmision directa deberian ser capaces de funcionar a velocidades variables comprendidas entre una velocidad de arranque que podria producir danos. La potencia generada puede ser procesada mediante electronica de potencia, (no mostrada, pero bien conocida en el estado de la tecnica), con el fin de hacerla apta para el funcionamiento de dispositivos electricos o para la distribucion de una forma estable adecuada a la red de distribucion de potencia electrica.

La figura 3B muestra una turbina 150 para su uso en un entorno de flujo de fluido lento que tambien emplea palas 10 de rotor del tipo anteriormente descrito. En este modo de realizacion, el buje 12 esta acoplado a un arbol 152 de transmision de baja velocidad. El arbol 152 de transmision esta acoplado a una caja de cambios o transmision 154 que a su vez acciona un arbol 156 de transmision de alta velocidad. El arbol 156 de transmision de alta velocidad esta acoplado al arbol 158 de transmision de un generador 160 de alta velocidad. Los generadores de alta velocidad son por lo general, mas pequenos y mas baratos que los generadores de baja velocidad. El generador 160 esta dimensionado preferiblemente para que coincida con las caracteristicas de flujo de fluido de un entorno de flujo de fluido lento.

El ajuste de las caracteristicas del rotor, (cabeceo, guinada, giro, despliegue de tuberculos, flexibilidad, amortiguacion, etc.), puede efectuarse a mano o bajo control dinamico. Tales sistemas de control manual y dinamico son bien conocidos en el estado de la tecnica.

La figura 3C muestra otra turbina 250 para su uso en un entorno de flujo de fluido lento que de forma similar emplea palas 10 de rotor del tipo anteriormente descrito. En este modo de realizacion, el buje 12 esta acoplado a un arbol 252 de transmision de baja velocidad. El arbol los 252 de transmision esta acoplado a una caja de cambios o transmision 254 que a su vez acciona arboles 256a y 256b de transmision de alta velocidad. El arbol 256b de transmision de alta velocidad esta acoplado al arbol 258 de transmision de un generador 260 de alta velocidad a traves de un sistema 262 de embrague y/o freno. Un freno 264 de rotor y un anillo 266 de deslizamiento se disponen en el arbol 252 de transmision.

Un sistema 280 de control de guinada se acopla a un conjunto 281 de montaje de la turbina, el cual soporta al rotor, al tren de transmision y al generador para permitir que todo el conjunto rote con el fin de mantener la orientacion de las palas 10 de rotor en una direccion en contra del viento deseada. Como se puede apreciar, el sistema 280 de control de guinada incluye un engranaje 282 de guinada accionado mediante un accionamiento 284 de guinada a traves de un pinon 288. Un servo 290 de guinada detecta la velocidad del viento y controla el accionamiento 284 de guinada a traves de un codificador (no mostrado) para permitir que la orientacion de la pala de rotor se ajuste. Un servo 290 de guinada tambien controla al freno 292 de guinada para permitir que las palas 10 de rotor esten bloqueadas en su posicion.

Si se desea, la turbina 250 puede tambien incluir un sistema de control de cabeceo de la pala de rotor para ajustar el cabeceo de las palas de rotor para controlar la tasa de rotacion de los arboles de alta y/o baja velocidad para hacerla coincidir con las tasas de rotacion del generador. Tal y como se apreciara, el sistema de control de cabeceo de la pala de rotor es similar al sistema de control de guinada descrita anteriormente. Al igual que las palas de rotor mejoradas con tuberculos muestran un rango de operacion mas amplio de cabeceo estable, el control de cabeceo de la pala de rotor se puede ajustar para mantener un cabeceo escalonado dentro de los flujos de fluido a cualquier velocidad y por tanto se incremente la generation de potencia maxima. El sistema de control de cabeceo de la pala de rotor, preferentemente, se puede emplear para dirigir las palas de rotor en el caso de rachas de viento de velocidad excepcionalmente alta que de otro modo podrian danar las palas de rotor, el tren de transmision y/o el generador. Ademas, a pesar del hecho de que las palas de rotor mejoradas con tuberculos tenderan a producir menos friction que las palas convencionales, en la mayoria de angulos de cabeceo, en algunos casos las velocidades de viento pueden producir suficiente friccion como para producir fuerzas potencialmente daninas en la torre. En tales casos, el sistema de control de cabeceo de la pala de rotor se puede emplear para ajustar el cabeceo de la pala de rotor como respuesta a un sensor y a un bucle de control de retroalimentacion (no mostrado) el cual monitoriza la velocidad del viento y si es necesario la tension estructural en la torre y proporciona senales de control adecuadas al sistema de control de cabeceo de la pala de rotor.

En otro modo de realizacion, la turbina 250 puede estar disenada para adaptarse a los cambios en las tasas de flujo de fluido que pueden suceder lentamente, (es decir cambios en la tasa de flujo que pueden ocurrir durante dias, semanas o meses). Cursos de agua de baja caida hacen frente a dichas variaciones lentas en tasas de flujo. En este caso, se puede emplear una combination de metodos y medios para adaptarse a esta variaciones lentas de flujo de fluido. Por ejemplo, la turbina 250 puede incluir un sistema de control de la pala de rotor de la turbina (no mostrados) para variar el giro, el cabeceo, el combado, el espesor e incluso el tamano de los tuberculos sobre los bordes de ataque de las palas de rotor. Con este fin, la piel exterior de las palas de rotor 10 puede estar formado de material flexible estirada sobre el sustrato de soporte. Actuadores hidraulicos, electromecanicos y/o piezoelectricos puede ser proporcionados a lo largo de las palas de rotor que puede ser accionado para cambiar la forma de las palas de rotor. Los bordes de ataque de las palas de rotor pueden comprender una combinacion de componentes moviles y fijos comparables a los alerones en las alas de avion con los componentes moviles siendo ajustables con

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respecto a los componentes fijos para modificar las caracterlsticas aerodinamicas o hidrodinamicas de las palas de rotor. El sistema de control de la pala de rotor de la turbina puede ser sensible a los ajustes mecanicos realizados por un operador y/o sensible a los codificadores de posicion y/o sensores de medicion de caudales de fluido, a las caracterlsticas de rotor, y a los parametros de funcionamiento de la turbina.

En otro modo de realizacion mas, la turbina 250 puede estar tambien disenada para hacer frente a las situaciones en las que las tasas de flujo de fluido esten sujetas a cambios periodicos de magnitud importante, los cuales de otro modo podrlan resultar en danos al generador o a otros componentes del conjunto. En este caso, la turbina puede incluir un sistema de desvlo de fuerza tal como por ejemplo, un sistema de frenado activo en conexion con una transmision apropiada, un mecanismo automatizado de ajuste de caracterlsticas para reducir la eficiencia del rotor aumentando la parada o para dirigir las palas de rotor. El sistema de desviacion de la fuerza puede responder a ajustes mecanicos realizados por un operador y/o responder a codificadores de la posicion y/o a sensores que miden las tasas de flujo de fluido, las caracterlsticas del rotor, y los parametros de funcionamiento de la turbina.

Tal y como se apreciara, se prefieren modificaciones adicionales de la turbina 250 si la turbina se va a utilizar en situaciones en las que las tasas de flujo de fluido se someten a variaciones significativas frecuentes, como suele ser a menudo el caso en aplicaciones de turbinas eolicas. Las tasas de flujo de energla eolica son, por lo general, mucho mas variables que las tasas de flujo de agua. Esta variabilidad en el potencial de recursos de energla eolica varla ampliamente segun la temporada, los patrones climaticos a gran escala, la region geografica, las caracterlsticas flsicas y geograficas locales, tales como las formaciones terrestres (colinas, valles, etc.), los arboles cercanos y otras obstrucciones de superficie, incluso la hora del dla. Una discusion sobre la variabilidad del viento esta disponible en el sitio web de US-DOE, la pagina web de la Asociacion de Energla Eolica de Dinamarca y el sitio Strategis del gobierno canadiense

En realidad, hay grandes diferencias en la velocidad media del viento, y, por lo tanto, en la energla potencial disponible, de region a region. Por ejemplo, en el territorio continental de EE.Uu., solo una pequena fraccion de las masas terrestres experimenta velocidades medias del viento superiores a 8 metros por segundo, (clasificados como emplazamientos de viento de Clase 6 y Clase 7). Las areas con recursos de viento en el orden de Clase 1 a Clase 5 constituyen la mayor parte de los recursos del pals. Ademas, tales velocidades medias del viento estan lejos de ser uniformes. Los vientos aumentan y caen por todas partes, pero en la Clase 6 y las regiones mas altas, el impacto neto es en gran parte insignificante. La turbina 250 se puede adaptar para estos estandares mas bajos, pero hacen uso de sistemas de control para hacer frente a las rafagas de viento de alta velocidad, utilizando tanto un freno activo como pasivo o mediante el empleo de un sistema de embrague para evitar el sobrecalentamiento del generador, o cambiando los angulos de cabeceo de la pala de rotor para frenar eficazmente en contra de las tasas de rotacion en exceso, mediante el ajuste de las palas de rotor hasta la parada.

La tecnologla convencional es adecuadamente eficiente para la produccion de energla en entornos de Clase 6 o superior de viento pero tlpicamente, estos sistemas producen electricidad a un 50-60% de la tasa en los ambientes de Clase 4, lo que aumenta drasticamente los costes. Dicha tecnologla es marginalmente economica en el mejor de los casos para la Clase 3 e inferior.

Para la Clase 6 y emplazamientos superiores, la turbina 250 puede incluir sistemas de control activo para controlar las caracterlsticas de la pala de rotor como se ha descrito anteriormente. La sustentacion mejorada y la friccion reducida resultante de la utilizacion de las palas 10 de rotor produce mas potencia de rotacion al eje del rotor, la cual puede estar dirigida a producir tasas de rotacion mas altas o mas par motor. Sin embargo, las palas de rotor tambien se detienen a velocidades de viento mas bajas, lo que significa que tambien funcionaran en un rango mas amplio de velocidades de viento y, como consecuencia la potencia transmitida al arbol de transmision puede variar a traves de un rango mas amplio. Metodos y medios para operar en todo el intervalo efectivo y para aumentar la produccion de energla electrica pueden incluir el uso de una transmision automatica que puede ser desplazada bajo el control de un circuito de vigilancia electronica con el fin de mantener las tasas de rotacion del generador tan cerca de ser constantes como sea posible. Ademas, la turbina puede emplear dos o mas generadores 360 pequenos en llnea, de alta velocidad, en serie, conectados por embragues 362 (sean electromagneticos o mecanicos), como se muestra en la figura 3D, de manera que a medida que cambia la velocidad de viento se produce la cantidad deseada de la electricidad. Por ejemplo, cuando se encuentra con vientos de alta velocidad, la turbina podrla emplear tres generadores conectados al arbol de transmision por medio de embragues. Dos generadores conectados podrlan emplearse para vientos moderados y un solo generador emplearse cuando se presentan condiciones de poco viento. En todos estos casos, se pueden emplear circuitos de control de regulation de energla sofisticados con el fin de producir energla de mas alta calidad y para entregar la potencia maxima al usuario final o a una red electrica. Tal y como se apreciara, el uso de pequenos generadores de alta velocidad en llnea ofrece ventajas. Por ejemplo, la disposition del generador en llnea reduce la obstruction del flujo de aire a traves de la turbina y proporciona beneficios en la capacidad de servicio segun en la que uno o mas generadores pueden funcionar aun, si uno esta siendo reparado. Ademas, los generadores mas pequenos son mas faciles de transportar y de montar.

Tambien, en las zonas de la Clase 6 y la Clase 7 que gozan comparativamente de altas velocidades medias del viento, es bien sabido que los grandes rotores de turbinas convencionales tienen distintos problemas con la rotacion de alta velocidad. Las palas de rotor del orden de 40 a 70 metros a menudo encuentran vientos significativamente

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diferentes en la parte superior de su rotacion que en la parte inferior debido a que la velocidad del viento tiende a variar con la altura. Esto puede verse agravado por las corrientes, en gran medida impredecibles, de chorro de bajo nivel que impactan contra las palas de rotor unicamente en la parte superior de su rotacion. Una dificultad adicional es que, incluso en reglmenes de viento estables, la punta de la pala de rotor se desplaza mucho mas rapido que la ralz de la pala de rotor y por lo tanto esta sujeta a tensiones muy diferentes. En algunos casos, estos factores producen vibraciones de gran alcance que pueden estresar la estructura de la pala de rotor y conducirla a su fallo prematuro. Para hacer frente a estos factores, la turbina 250, cuando se utiliza en este tipo de entorno de alta velocidad de viento, puede incluir amortiguacion pasiva de la pala de rotor, tanto de frenado pasivo como activo para mantener las tasas de rotacion dentro de tolerancia, y el frenado activo del tipo descrito anteriormente para imponer una carga adicional en el arbol del rotor con el fin de controlar las tasas de rotacion. La turbina tambien puede emplear uno o mas medios de sensor (que pueden ser mecanicos, opticos, etc.) mediante los cuales un circuito de control puede controlar la pala de rotor para dicha vibracion y compensar activamente una vibracion de las palas no deseada. Este proceso de compensacion puede implicar la utilizacion de la amortiguacion pasiva, un cambio en todas y cada una de las caracterlsticas de la pala de rotor y/o, la compensacion activa de las vibraciones no deseadas mediante la deteccion de ellas muy rapidamente, y la generacion de una forma de onda activa, 180 grados fuera de fase con la vibracion, con el fin de efectuar la cancelacion de las vibraciones mediante una retroalimentacion por etapas.

Aunque las realizaciones anteriores, muestran un diseno de la pala de rotor, donde los tuberculos 24 estan formados integralmente a lo largo del borde 22 de ataque de la pala 10 de rotor, estan disponibles alternativas. Por ejemplo, volviendo ahora a la figura 1C, una conexion de pala de rotor adecuada para retroadaptar una pala de rotor convencional existente se muestra y, en general se identifica por el numero de referencia 310. Dicha conexion de pala de rotor puede estar conectada al borde 22 de ataque de la pala 10 de rotor mediante diversos medios convencionales con el fin de proporcionar a la pala de rotor una mayor sustentacion y reducir la friccion. Dicha conexion de las palas de rotor retroadaptadas, preferentemente, deberla ser empleada con ajustes a todos los subsistemas asociados, incluyendo pero no limitado a los parametros de funcionamiento, software de control del subsistema, sensores ambientales y respuesta automatizada, funcionamiento del actuador servo de cabeceo, etc., como se discute a continuacion. Hay que senalar que tales retroadaptaciones deben hacerse preferentemente en las palas de rotor implementadas con control de potencia de cabeceo controlado en el que la sustentacion mejorada puede implementarse sin comprometer el control de potencia pasivo. La aplicacion de tales bordes de ataque retroadaptados de las palas de rotor a las palas de rotor con regulacion de parada convencional requerira la fabricacion del componente de tal manera que se convierta el factor de forma retorcido de un rotor convencional de acuerdo con esta invention. Tales componentes de retroadaptacion deben ser disenados dentro de dichos parametros de equilibrio para ajustar el factor de forma real de los rotores individuales con control de parada.

Los principios fundamentales de funcionamiento y de hecho muchos de los criterios de ingenierla de generadores de turbinas y compresores son identicos. Por lo tanto, las turbinas descritas anteriormente son aplicables para utilizarse, basicamente, en todas las formas de compresores, ventiladores y generadores de turbina. En otras palabras, las palas de rotor se utilizan en una amplia gama de productos, como por ejemplo los compresores de turbinas de motores a reaction, incluyendo los turbopropulsores, automoviles, equipos de aire acondicionado, turbinas hidraulicas, turbinas de vapor termicas y nucleares, sistemas de potencia de lanchas, ventiladores rotativos, bombas de turbina y giratorias, limpiadoras a presion, por nombrar solo unos pocos.

Tal y como se apreciara por los expertos en el estado de la tecnica, las turbinas pueden ser utilizadas en los casos en los que los flujos de fluidos son constantes en o cerca de las tasas de flujo de fluido. En tales casos, solo se requieren medios mlnimos para hacer coincidir engranajes apropiados, generadores, y dispositivos de control de generacion de potencia electricos y electronicos. Alternativamente, las turbinas pueden ser utilizadas en los casos en los que los flujos de fluidos sean ampliamente variables.

Aunque se han descrito modos de realization de la presente invencion, los expertos en el estado de la tecnica apreciaran que pueden hacerse variaciones y modificaciones sin apartarse del alcance de la misma tal como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Una turbina/compresor que comprende: al menos un dispositivo magneto-electrico;

un tren de transmision acoplado a dicho dispositivo magneto-electrico; y

una pluralidad de palas de rotor acopladas a dicho tren de transmision, teniendo cada pala de rotor un borde de ataque conformado que se extiende generalmente a lo largo de la longitud de dicha pala de rotor, estando dicho borde de ataque conformado para definir una serie de tuberculos separados que se extienden hacia delante estando dichos tuberculos dimensionados y proporcionados para mejorar la sustentacion, proporcionar caracterlsticas mejoradas de parada, reducir la friccion y reducir el bombeo de envergadura.
2. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 1 que comprende ademas un sistema de control para ajustar la orientacion de dichas palas de rotor, de modo que dichas palas de rotor se enfrentan al flujo de fluido entrante.
3. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 2 que comprende ademas un segundo sistema de control para alterar la forma de dichas palas de rotor.
4. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 3 en la que dicho segundo sistema de control altera el cabeceo de dichas palas de rotor.
5. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 3 en la que dicho segundo sistema de control altera la separacion y/o la forma de dichos tuberculos.
6. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 1 en la que dicho tren de transmision es un arbol directamente acoplado a dichas palas de rotor y a dicho dispositivo magneto-electrico.
7. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 1 en la que dicho tren de transmision incluye un arbol de transmision y una disposition de transmision que actua entre dichas palas de rotor y el dispositivo magneto-electrico.
8. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 7 que comprende ademas un sistema de control para ajustar la orientacion de dichas palas de rotor de modo que dichas palas de rotor se enfrentan al flujo de fluido entrante.
9. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 8 que comprende ademas un segundo sistema de control para alterar la forma de dichas palas de rotor.
10. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 9 en la que dicho segundo sistema de control altera el cabeceo de dichas palas de rotor.
11. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 10 en la que dicho segundo sistema de control altera la separacion y/o la forma de dichos tuberculos.
12. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 1 en la que dicho al menos un dispositivo magneto- electrico es al menos un generador y en el que cada pala de rotor experimenta una torsion entre la punta y la ralz, siendo seleccionado el grado de torsion para alcanzar la sustentacion mejorada y las caracterlsticas de parada mejoradas.
13. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 12 que ademas comprende un sistema de control para ajustar la orientacion de dichas palas de rotor de modo que dichas palas de rotor se enfrenten al flujo de fluido entrante.
14. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 13 que comprende ademas un segundo sistema de control para alterar la forma de dichas palas de rotor.
15. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 14 en la que dicho tren de transmision es un arbol directamente acoplado a dichas palas de rotor y a dicho generador.
16. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 14 en la que dicho tren de transmision incluye un arbol de transmision y una disposicion de transmision que actua entre dichas palas de rotor y el generador.
17. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 16 que comprende ademas una pluralidad de generadores conectados.
18. Una turbina/compresor de acuerdo con la reivindicacion 17 en la que dichos generadores conectados estan en llnea.