ES2607880T3 - Turbina eólica con palas de rotor curvadas - Google Patents

Turbina eólica con palas de rotor curvadas Download PDF

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Abstract

Aerogenerador (1) con una torre (2), una góndola (3) dispuesta en el extremo superior de la torre (2), un rotor (5) que se apoya por fuera en la góndola de forma giratoria alrededor de un eje giratorio de rotor (4) y que presenta un cubo de rotor (6, 20) y al menos una pala de rotor (7, 22) que se extiende desde el cubo de rotor (6, 20), disponiéndose la pala de rotor (7, 22) en el cubo de rotor (6, 20) en ángulo obtuso respecto al eje giratorio de rotor (4) orientada de forma inclinada y alejándose de la torre (2), caracterizado por que la pala de rotor (7, 22) se configura en al menos una sección longitudinal de forma curvada respecto al eje longitudinal (8).

Description

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DESCRIPCION
Turbina eolica con palas de rotor curvadas
La presente invencion se refiere a un aerogenerador con una torre en cuyo extremo superior se dispone una gondola. En la gondola se dispone por fuera un rotor que puede girar alrededor de un eje giratorio de rotor. El rotor presenta un cubo de rotor y al menos una pala de rotor que se extiende desde el cubo de rotor.
A fin de poder absorber toda la energfa posible del viento por medio de un aerogenerador, el desarrollo de los aerogeneradores pasa por disenar cada vez mas grande el diametro de los rotores. Los aerogeneradores conocidos ya presentan un diametro de 90 m. Esto tiene como consecuencia que la masa del rotor, que por regla general presenta tres palas de rotor, tambien aumenta respectivamente. Entre otros, por este motivo se han desarrollado palas de rotor que son relativamente ligeras, pero que tambien presentan una rigidez correspondiente para ofrecer al viento la resistencia necesaria.
En general las palas de rotor utilizadas actualmente se componen de una construccion monocasco cerrada. El empleo de construcciones monocasco proporciona la ventaja de que las palas de rotor se pueden fabricar con una masa relativamente reducida y una gran rigidez. No obstante, las palas de rotor conocidas siguen presentando una cierta flexibilidad elastica que como es natural aumenta con la longitud de las palas de rotor.
La flexibilidad elastica de una pala de rotor debe tenerse en cuenta especialmente en la configuracion de un aerogenerador del tipo rotor delantero (es decir, la instalacion se configura de manera que el viento incida siempre en primer lugar en el rotor y a continuacion en la torre), dado que las puntas de pala de rotor se pandean como consecuencia de la presion del viento en direccion de la torre. Cuanto mas fuerte sea el viento, mas grande es el pandeo que experimentan las puntas de pala de rotor en direccion de la torre. Esta curvatura de la pala de rotor orientada hacia la torre puede ser, en el peor de los casos, tan grande que se produzca una colision de la pala o de las palas de rotor con la torre.
A fin de evitar una colision, los aerogeneradores conocidos se configuran de manera que el rotor se disponga en la gondola separado a una distancia lo mas grande posible de la torre. En virtud de la gran masa del rotor ya mencionada, esta instalacion presenta sin embargo el inconveniente de que con una distancia cada vez mayor entre rotor y torre tambien aumenta respectivamente el momento de flexion y, por lo tanto, gondola y torre deben dimensionarse de modo que puedan absorber el momento de flexion, ocasionando este dimensionamiento unos costes elevados.
La tarea de la presente invencion consiste en crear un aerogenerador con un rotor optimizado que se configure de manera que presente una masa lo mas reducida posible y cuyas palas de rotor se configuren de modo que se pueda evitar de forma segura una colision de las palas de rotor con la torre.
Esta tarea se resuelve con un aerogenerador con las caractensticas de la reivindicacion 1.
Segun la invencion, la pala de rotor se dispone en el cubo de rotor en un angulo obtuso respecto al eje giratorio de rotor orientada de forma inclinada alejandose de la torre y se configura en al menos una seccion longitudinal de forma curvada respecto al eje longitudinal.
Por el documento DE 296 12 720 U1 se conoce la posibilidad de disponer las palas de rotor en un, asf llamado, angulo conico para evitar una colision de las palas de rotor con la torre. El angulo conico esta formado por el eje longitudinal de la pala de rotor y de un plano normal, extendiendose el plano de normal desde el punto de interseccion del eje longitudinal y del eje giratorio de rotor perpendicular al eje giratorio de rotor. Sin embargo, esta configuracion de rotor presenta el inconveniente de que para evitar de forma segura una colision, el angulo conico debe configurarse relativamente grande (aproximadamente 3-7°). No obstante, a partir de un angulo conico de 2° el momento de flexion en la rafz de pala (zona de union pala de rotor/cubo de rotor) aumenta notablemente como consecuencia de la fuerza centnfuga. Esto representa especialmente un inconveniente ya que en aerogeneradores del tipo rotor delantero este momento de flexion de fuerza centnfuga se produce adicionalmente al momento de flexion originado por la presion del viento y por consiguiente lo aumenta de forma desventajosa. Por este motivo el angulo conico debena ser como mmimo menor de 4°.
Ademas, la disposicion de las palas de rotor con un angulo conico creciente reduce la superficie de ataque del viento de las palas de rotor, lo que puede provocar una merma en la generacion de energfa.
Por el documento WO 03/060319 A1 tambien se conoce la posibilidad de disponer las palas de rotor en un, asf llamado, angulo conico para evitar una colision de las palas de rotor con la torre. Con esta finalidad se dispone una pieza intermedia adecuada entre el cubo de rotor y la pala de rotor.
En la presente invencion las palas de rotor presentan, ademas de un cono, una curvatura de pala. Gracias a esta combinacion se consigue una distancia maxima posible entre la punta de pala de rotor y la pared de torre, sin que la configuracion de rotor inventiva presente los inconvenientes descritos de las citadas configuraciones de rotor. Mediante la prevision de una curvatura de pala, el angulo conico puede elegirse mucho menor que el que se conoce por el estado de la tecnica, permitiendo que las fuerzas centnfugas se mantengan en una zona aceptable y la
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superficie de ataque del viento de las palas de rotor se disponga practicamente perpendicular a la direccion del viento, mejorando, por consiguiente, la produccion de ene^a.
Segun una configuracion ventajosa de la invencion, la pala de rotor se conforma de modo que se configura con un desarrollo en lmea recta en una primera seccion longitudinal que empieza en el cubo de rotor hasta una distancia definida del cubo de rotor y se configura por zonas de forma curvada orientada hacia delante en una segunda seccion longitudinal que sigue a la primera seccion longitudinal y que se extiende hasta la punta de pala de rotor.
Por el documento DE 298 80 145 U1 se conoce la posibilidad de configurar una pala de rotor de manera que en primer lugar se extienda perpendicularmente al eje giratorio de rotor hacia fuera y que a continuacion se siga extendiendo a distancia del cubo de una forma curvada orientada hacia fuera y hacia delante. Para conseguir una distancia suficiente entre las palas de rotor y la torre, las palas de rotor conocidas deben presentar una fuerte curvatura correspondiente. Sin embargo, la fuerte curvatura de pala necesaria ya conduce por sf sola a grandes problemas en la fabricacion de la forma negativa de la pala de rotor, asf como en la posterior produccion de la pala de rotor. Tambien en el transporte de la pala de rotor resultan muchas dificultades en virtud de las grandes dimensiones de las palas de rotor. Entretanto, las palas de rotor conocidas tienen generalmente una longitud de, como mmimo, 35 m. Si las palas de rotor de este tipo presentan adicionalmente una fuerte curvatura de pala, un transporte de las hojas solo se puede realizar con medios de transporte construidos especialmente para ello, produciendose costes adicionales.
No obstante, las palas de rotor con una curvatura de pala demasiado fuerte presentan ademas otro inconveniente decisivo. Debido a la curvatura de pala se originan en la pala altas cargas de torsion que conducen a un alabeo de la pala de rotor aerodinamicamente desventajoso. A menudo los aerogeneradores conocidos se configuran de manera que las palas de rotor se apoyen en el cubo de rotor de forma giratoria alrededor de su eje longitudinal. El motivo es que de este modo se crea la posibilidad de regular la absorcion de energfa del viento en virtud de un ajuste de la orientacion de las palas de rotor, llevandose a cabo el ajuste de las palas de rotor a traves de sistemas de ajuste de palas. Los momentos de ajuste necesarios son mmimos si la pala de rotor en estado de carga maxima es lo mas recta posible. Por otra parte, por motivos de seguridad resulta conveniente que el momento de torsion de la pala actue de modo que la pala gire en la direccion que reduce la carga, la, asf llamada, posicion de bandera.
En las grandes instalaciones actuales, que solo se disenan con curvatura previa, la curvatura previa necesaria ya es demasiado grande para poder realizar un servicio con poca carga y cumplir el aspecto de la seguridad. Gracias a la combinacion segun la invencion del angulo conico y la curvatura previa se mejoran considerablemente ambos aspectos.
El documento DE 298 80 145 U1 indica de forma explfcita que la disposicion en angulo obtuso de las palas de rotor respecto al eje giratorio de rotor resulta desventajosa. Ademas de los inconvenientes arriba descritos, la disposicion conica de las palas de rotor tambien presenta el inconveniente de ser muy cara en la fabricacion. Por otra parte, el "rotor conico" da motivo a la cntica desde un punto de vista estetico.
Por el contrario, en la presente invencion se ha comprobado que gracias a una combinacion de estas dos configuraciones de rotor, presentando cada una por sf sola inconvenientes, es posible conseguir una configuracion de rotor optima.
La presente invencion ofrece la ventaja de que es posible evitar facilmente una colision sin mermas significativas en la generacion de energfa ni cargas aumentadas a causa de la aparicion de fuerzas centnfugas o torsion.
Mediante la construccion de rotor segun la invencion, la pala de rotor se puede construir de manera que se pueda admitir una deformacion clara de la estructura de pala en direccion de impacto sin influir negativamente en los requisitos de seguridad. Ademas, la construccion de la pala con una masa claramente menor se adapta sin problemas a la estructura de pala que la soporta. Especialmente en caso de palas de materiales compuestos de fibras con una matriz de resina epoxi esta ventaja se puede aprovechar de forma util, dado que las propiedades de resistencia funcional de esta matriz son especialmente buenas y, por lo tanto, la seguridad de estructura para la solicitacion de cargas extremas y de cargas de resistencia funcional resultan muy similares entre sf, es decir, el material se puede utilizar optimamente en cualquier aspecto.
La configuracion de rotor segun la invencion ofrece ademas la ventaja de que mediante la combinacion de cono y curvatura de pala reducida se obtienen en gran parte las ventajas de una curvatura de pala fuerte, no obstante con la diferencia fundamental de que gracias a la zona interior recta y a la pala de rotor inclinada (alrededor del angulo conico) se reducen considerablemente las cargas de torsion en la pala y en los sistemas de ajuste de pala, es decir, se evitan los inconvenientes de una curvatura de pala fuerte.
La curvatura de pala segun la invencion puede presentar formas diferentes. Asf, la curvatura de pala ya puede comenzar, por ejemplo, en la zona del cubo de rotor. La realizacion mas ventajosa resulta si la pala de rotor es sometida a presion durante el funcionamiento normal, es decir, con velocidades del viento ligeramente por debajo de la velocidad nominal del viento en una forma aproximadamente recta. Con esta finalidad, el diseno mas sencillo consiste en generar la curvatura previa mediante la superposicion de las dos primeras formas propias de oscilacion. Teoricamente esto conduce a desarrollos de curvatura que comienzan directamente en la rafz de pala con curvaturas previas muy reducidas. Dado que la rafz de pala de rotor se realiza comparativamente muy ngida, los calculos llevados a cabo por la solicitante dan como resultado que en la practica es suficiente una curvatura previa
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que comienza aproximadamente en un 40% del radio de rotor, es dedr, que la primera seccion longitudinal constituye aproximadamente el 40% de la longitud de pala.
No es preciso realizar la curvatura en la segunda seccion longitudinal de forma continua. Una realizacion ventajosa tambien preve realizar a su vez la zona de la punta de pala recta despues de una zona curvada. Esto puede resultar especialmente ventajoso bajo puntos de vista de fabricacion y transporte.
Como ya se ha mencionado mas arriba, como consecuencia de una curvatura de pala de rotor demasiado fuerte tambien surgen problemas en relacion con el transporte de las palas de rotor. Segun otra configuracion ventajosa de la solicitud, la segunda seccion longitudinal tambien puede configurarse, por consiguiente, de manera que represente menos de una tercera parte de la pala de rotor.
La pala de rotor se acopla de forma giratoria al cubo de rotor a traves de un soporte de pala. El soporte de pala presenta un anillo exterior y un anillo interior, uniendose de forma fija, segun una configuracion ventajosa de la invencion, el anillo interior al cubo de rotor y uniendose de forma fija el anillo exterior a la pala de rotor.
Gracias a la configuracion ventajosa en la que la pala de rotor se monta en el anillo exterior, se crea la posibilidad de reducir aun mas la masa del rotor. En aerogeneradores conocidos, la pala de rotor se fija por regla general en el anillo interior del soporte de pala. A fin de poder ahorrar mas masa, el diametro de la pala de rotor debena ser mayor en su zona de rafz (la zona en la que la pala de rotor se une al cubo).
El diametro mas grande se realiza de un modo ventajoso mediante el montaje segun la invencion de la pala en el anillo exterior de soporte, sin que el diametro de la zona de union se tenga que aumentar de forma correspondiente en el cubo de rotor. Gracias a esta geometna es posible maximizar el momento de resistencia si se utilizara la misma cantidad de material que hasta ahora.
Mediante la modificacion de la geometna en la zona de la rafz de pala, las cargas que se producen practicamente no vanan, dado que los momentos de flexion permanecen practicamente constantes frente a la configuracion conocida, por lo que gracias al montaje preferible segun la invencion de la pala de rotor en el anillo exterior se ha creado la posibilidad de ahorrar material y asf mantener constante el momento de resistencia, de manera que mediante la configuracion ventajosa se consigue otra reduccion de la masa del rotor.
Por medio del montaje del anillo interior del soporte de pala en el cubo de rotor resulta ademas la ventaja fundamental de que las dimensiones del cuerpo de cubo pueden mantenerse mas reducidas que en la configuracion de rotor conocida.
Segun otra configuracion ventajosa de la invencion, el eje giratorio de rotor se configura inclinado hacia arriba frente a la horizontal.
Esta configuracion tambien se conoce por el documento DE 296 12 720 U1 y el documento DE 298 80 145. Sin embargo, esta presenta el gran inconveniente de que para poder evitar con seguridad una colision, la superficie de ataque de la pala de rotor tambien se dispone aqrn de forma poco propicia respecto a la direccion del viento y, por consiguiente, mediante esta configuracion tambien se producen mermas de potencia sensibles.
No obstante, gracias a la combinacion con el cono y la curvatura de pala, la inclinacion puede ser respectivamente reducida, de modo que, por lo tanto, se pueden minimizar las mermas de potencia.
El ajuste de pala se lleva a cabo a menudo de manera que el anillo del soporte de pala, en el que esta montada la pala de rotor, presente un dentado. Con el dentado engrana un pinon que se desplaza mediante un accionamiento de ajuste en un movimiento giratorio, permitiendo un ajuste de la posicion angular de la pala de rotor. Como ya se ha mencionado antes, en los aerogeneradores conocidos la pala de rotor se monta en el anillo interior del soporte de pala. El anillo interior presenta, con fines de ajuste, un dentado interior y el pinon y el accionamiento de ajuste tambien se disponen respectivamente en el interior. En configuraciones ventajosas de la configuracion de rotor segun la invencion, la pala se monta en el anillo exterior del soporte de pala. Por lo tanto, el anillo exterior presenta un dentado exterior y el accionamiento de ajuste se dispone por fuera.
Gracias a la disposicion exterior del accionamiento de ajuste es posible configurar la conexion de pala por el lado del cubo claramente mas inclinada que antes, dado que el espacio interior de brida se puede utilizar para un nervio de refuerzo periferico ininterrumpido. La construccion compacta permite una realizacion claramente mas inclinada del cubo, lo que representa un criterio de diseno importante para el soporte de pala. Por el contrario, esto conduce con la misma rigidez a evidentes ventajas para la resistencia funcional del cubo de rotor, de la union atornillada entre el soporte de pala y el cubo, y del soporte de pala. La disposicion exterior de los accionamientos de ajuste provoca ademas, como consecuencia del brazo de palanca aumentado respecto al punto central del soporte de pala, mayores momentos de ajuste con la misma potencia motriz. Por otra parte, debido a la disposicion exterior los accionamientos no estan sujetos practicamente a ninguna limitacion de tamano, como era el caso en la disposicion interior.
La configuracion de rotor segun la invencion no solo unifica todas las ventajas de las distintas soluciones conocidas, sino que tambien tiene efectos sinergeticos adicionales. Asf, la configuracion de rotor segun la invencion ofrece la ventaja de que todos los componentes se pueden realizar otra vez fundamentalmente mas ligeros que en la
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realizacion como caractensticas individuals. Ademas gracias a las dimensiones comparativamente reducidas resultan ventajas adicionales en la fundicion y el transporte del cuerpo de cubo.
En la disposicion conocida, el acceso al interior de la pala de rotor solo era posible de forma muy limitada en virtud del accionamiento de ajuste. Este acceso es ahora claramente mas sencillo gracias a la disposicion exterior del accionamiento de ajuste de acuerdo con las configuraciones ventajosas de la invencion.
A continuacion la invencion se explica mas detalladamente a la vista de un ejemplo de realizacion. Se puede ver en la:
Figura 1 un aerogenerador con una configuracion de rotor segun la invencion,
Figura 2 una seccion a traves del rotor de un aerogenerador segun la invencion en la zona de la union pala de rotor/cubo de rotor.
La figura 1 muestra un aerogenerador 1 con una torre 2 en cuyo extremo superior se dispone una gondola 3. En la gondola se dispone un rotor 5 que puede girar alrededor de un eje giratorio de rotor 4 y que presenta un cubo de rotor 6, asf como palas de rotor 7 que se extienden desde el cubo de rotor 6 hacia fuera y que pueden girar alrededor de un eje longitudinal 8.
En el ejemplo de realizacion representado, las palas de rotor 7 se disponen en un angulo conico a, que se forma a traves del eje longitudinal 8 de la pala de rotor 7 y el plano normal, respecto al cubo de rotor 6, extendiendose el plano normal desde el punto de interseccion del eje longitudinal 8 y del eje giratorio de rotor 4 perpendicular al eje giratorio de rotor 4. Las palas de rotor 7 se configuran de manera que presenten una primera seccion longitudinal I que se configura desarrollandose en lmea recta desde el cubo de rotor. A la primera seccion longitudinal I le sigue la segunda seccion longitudinal II que se extiende de forma curvada orientada hacia delante hasta la punta de pala de rotor.
Para que las palas de rotor puedan girar libremente y no colisionen con la torre, el rotor 5 se dispone respecto a la gondola 3, de modo que se prevea un saledizo U respecto al eje de torre 9. Como se puede ver en la figura 1, el saledizo U se puede configurar, gracias a la configuracion de pala de rotor segun la invencion, ventajosamente mas corto de lo que sena si, por ejemplo, el rotor solo presentara la disposicion conica de las palas de rotor.
La figura 2 muestra en una media seccion una brida de conexion 20 de un cubo de rotor que se acopla a una pala de rotor 22 a traves de un soporte de pala 21. En el caso del soporte de pala se trata de un soporte de cuatro puntos que presenta un anillo interior 23 y un anillo exterior 24, uniendose de forma fija el anillo interior 23 a traves de uniones atornilladas 25 a la brida de conexion 20 del cubo de rotor y uniendose de forma fija la pala de rotor 22 a traves de uniones atornilladas 26 al anillo exterior 24.
Como ya se ha dicho anteriormente en varias ocasiones, los aerogeneradores conocidos se configuran por regla general de manera que la pala de rotor 22 se monte en el anillo interior 23. La variante de realizacion mostrada presenta, en cambio, la ventaja de que bien se puede utilizar una pala de rotor que presente un diametro de conexion de rotor mas grande o, por el contrario existe la posibilidad de que el diametro de la conexion de rotor se mantenga constante y que el diametro de la brida de conexion en el cubo de rotor se configure mas pequeno, creandose asf ventajosamente un cubo mas compacto.
Junto a las ventajas antes ya comentadas, esta configuracion ofrece ademas otra ventaja respecto a las uniones atornilladas de la brida: la union atornillada de la pala de rotor al soporte de pala debe valorarse de forma mucho mas cntica que la union atornillada del cubo de rotor al soporte de pala, lo que debe atribuirse a la gran elasticidad de la rafz de pala fabricada de materiales compuestos de fibras. Un diametro de brida mayor en la rafz de pala frente a la brida de conexion aumenta, por consiguiente, la rentabilidad de ambas uniones por bridas.

Claims (5)

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    REIVINDICACIONES
    1. Aerogenerador (1) con una torre (2), una gondola (3) dispuesta en el extremo superior de la torre (2), un rotor (5) que se apoya por fuera en la gondola de forma giratoria alrededor de un eje giratorio de rotor (4) y que presenta un cubo de rotor (6, 20) y al menos una pala de rotor (7, 22) que se extiende desde el cubo de rotor (6, 20), disponiendose la pala de rotor (7, 22) en el cubo de rotor (6, 20) en angulo obtuso respecto al eje giratorio de rotor (4) orientada de forma inclinada y alejandose de la torre (2), caracterizado por que la pala de rotor (7, 22) se configura en al menos una seccion longitudinal de forma curvada respecto al eje longitudinal (8).
  2. 2. Aerogenerador segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la pala de rotor (7, 22) se realiza de manera que esta se configure en una primera seccion longitudinal (I) que comienza en el cubo de rotor (6, 20) desarrollandose en lmea recta hasta una distancia definida del cubo de rotor (7, 22) y de manera que se configure por zonas de forma curvada orientada hacia delante en una segunda seccion longitudinal (II) que sigue a la primera seccion longitudinal y que se extiende hasta la punta de pala de rotor.
  3. 3. Aerogenerador segun la reivindicacion 2, caracterizado por que la segunda seccion longitudinal (II) constituye menos de una tercera parte de la pala de rotor (7, 22).
  4. 4. Aerogenerador segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la pala de rotor (7, 22) se acopla de forma giratoria a un soporte de pala (21) montado en el cubo de rotor (6, 20) y por que el soporte de pala (21) presenta un anillo exterior (24) y un anillo interior (23), uniendose el anillo interior (23) de forma fija al cubo de rotor (6, 20) y uniendose el anillo exterior (24) de forma fija a la pala de rotor (7, 22).
  5. 5. Aerogenerador segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el eje giratorio de rotor (4) esta inclinado hacia arriba frente a la horizontal.
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