ES3056229T3 - Wind turbine blades with deflector and method - Google Patents

Abstract

La presente divulgación se refiere a palas de aerogeneradores y métodos para reducir las vibraciones de estos. En particular, se refiere a palas de aerogeneradores y métodos para reducir las vibraciones de uno o más de sus componentes cuando estos se encuentran estacionados o en ralentí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Palas de turbina eólica con deflector y procedimiento

[0003] La presente divulgación se refiere a palas de turbina eólica y a procedimientos para reducir las vibraciones en turbinas eólicas. Más en particular, la presente divulgación se refiere a palas de turbina eólica y a procedimientos para reducir las vibraciones en turbinas eólicas de uno o más componentes de una turbina eólica cuando la turbina eólica está estacionaria o en marcha en vacío.

[0004] Antecedentes

[0005] Las turbinas eólicas modernas se usan comúnmente para suministrar electricidad a la red eléctrica. Las turbinas eólicas de esta clase comprenden en general una torre y un rotor dispuesto en la torre. El rotor, que típicamente comprende un buje y una pluralidad de palas, se pone en rotación bajo la influencia del viento sobre las palas. Dicha rotación genera un par de torsión que se transmite normalmente a través de un eje de rotor a un generador, directamente o bien a través del uso de una caja de engranajes. De esta manera, el generador produce electricidad que se puede suministrar a la red eléctrica.

[0006] El buje de turbina eólica se puede acoplar de forma rotatoria a una parte frontal de la góndola. El buje de turbina eólica se puede conectar a un eje de rotor y, a continuación, el eje de rotor se puede montar de forma rotatoria en la góndola usando uno o más rodamientos de eje de rotor dispuestos en un bastidor en el interior de la góndola. La góndola es una carcasa dispuesta en la parte superior de una torre de turbina eólica que contiene y protege, por ejemplo, la caja de engranajes (si está presente) y el generador y, dependiendo de la turbina eólica, otros componentes, tales como un convertidor de potencia y sistemas auxiliares.

[0007] Una turbina eólica se pueda detener o puede entrar en un modo de marcha en vacío (“idling”) por varios motivos. Por ejemplo, si la red eléctrica recibe demasiada energía de un parque eólico, se puede recibir una reducción de consigna para el parque eólico y algunos de ellos pueden iniciar la marcha en vacío hasta que se requiera más producción de energía. Además, una turbina eólica puede estar estacionaria, por ejemplo, para realizar un mantenimiento sobre ella. Además, una turbina eólica puede iniciar la marcha en vacío o se puede detener por motivos de seguridad, por ejemplo, si las ráfagas de viento pueden dañar la turbina eólica. A lo largo de esta divulgación, los términos de marcha en vacío o en marcha en vacío se refieren al hecho de que las palas de turbina eólica rotan (lentamente), pero no se produce ninguna energía, a saber, porque el generador no está conectado a la red. Una turbina eólica detenida o estacionaria se puede entender como una turbina eólica cuyo rotor se ha bloqueado y, por lo tanto, no se mueve. En el presente documento se puede entender que una turbina eólica está en operación cuando su rotor rota a una velocidad lo suficientemente alta para producir energía y el generador de la turbina eólica produce potencia eléctrica.

[0008] Cuando una turbina eólica está estacionaria o en marcha en vacío, el viento puede soplar contra la turbina eólica desde direcciones inusuales, es decir, diferentes de la operación normal. El flujo de aire alrededor de la turbina eólica puede provocar que la turbina eólica vibre. Las vibraciones pueden someter a tensión e incluso dañar uno o más componentes de turbina eólica, lo que puede comprometer el rendimiento de la turbina eólica, puede incrementar la necesidad de reparaciones y puede reducir la vida útil de la turbina eólica. Dado que puede que la orientación de una pala de turbina eólica no se adapte a la dirección del viento entrante, por ejemplo, a través de orientación como cuando la turbina eólica está en operación, los efectos de las vibraciones pueden ser mayores o diferentes cuando la turbina eólica está estacionaria o en marcha en vacío que cuando la turbina eólica está en operación normalmente y produce energía.

[0009] El documento GB 2564884A divulga una pala de turbina eólica que incluye un extremo de buje, un extremo de punta, un borde de ataque, un borde de salida, un lado de alta presión y un lado de baja presión. Al menos una barrera de capa límite está ubicada en al menos un lado de la pala. La barrera incluye una pluralidad de orificios de acceso. Cada orificio de acceso tiene una entrada en un lado de extremo de buje de la barrera y una salida en un lado de extremo de punta de la barrera y la sección transversal disminuye desde la entrada hasta la salida, en orientación para descargar aire hacia el borde de salida de la pala.

[0010] Breve explicación

[0011] En un primer aspecto de la presente divulgación, de acuerdo con la reivindicación independiente 1, se proporciona una turbina eólica que comprende una pala de turbina eólica. La pala de turbina eólica comprende una superficie de pala, y uno o más deflectores fijados a la superficie de pala de turbina eólica configurados para perturbar una componente en dirección a lo largo de la envergadura del aire que fluye alrededor de la pala de turbina eólica, en la que los deflectores incluyen barreras alares, y en la que las barreras alares están configuradas para retirarse de la pala de turbina eólica antes de iniciar la operación de la turbina eólica.

[0012] [0008]De acuerdo con este aspecto, el deflector fijado a la turbina eólica perturba una componente en dirección a lo largo de la envergadura del flujo de aire que se puede producir específicamente alrededor de una pala de turbina eólica en marcha en vacío o detenida. Dicha perturbación puede mitigar o incluso detener la vibración de uno o más componentes de una turbina eólica, por ejemplo, la pala de turbina eólica y/o una torre de turbina eólica. Sin desear ceñirse a la teoría, en particular, se pueden reducir las vibraciones inducidas por vórtices (VIV) y/o las vibraciones inducidas por entrada en pérdida (SIV).

[0013] En un segundo aspecto de la presente divulgación, de acuerdo con la reivindicación independiente 8, se proporciona un procedimiento para instalar una pala de turbina eólica en una turbina eólica.

[0014] En el presente documento, se puede entender que "perturbar" o "alterar" una componente en dirección a lo largo de la envergadura de un flujo de aire se refiere a modificar una magnitud, coherencia de turbulencia en dirección a lo largo de la envergadura u otras características (en particular, flujo laminar frente a turbulento) de la componente en dirección a lo largo de la envergadura sin destruirla, es decir, sin evitar la componente en dirección a lo largo de la envergadura. Por tanto, una componente en dirección a lo largo de la envergadura sigue existiendo después de una alteración del flujo de aire. Modificar una magnitud y/o dirección del flujo de aire puede alterar una componente en dirección a lo largo de la envergadura de dicho flujo de aire. El flujo de aire resultante puede ser más turbulento.

[0015] Breve descripción de los dibujos

[0016]

[0017] La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de una turbina eólica;

[0018] la figura 2 ilustra una vista interna simplificada de un ejemplo de la góndola de la turbina eólica de la figura 1; la figura 3 ilustra esquemáticamente una vista en perspectiva de un ejemplo de una pala de turbina eólica; la figura 4 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una sección transversal de la pala de turbina eólica de la figura 3;

[0019] la figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una sección transversal de una pala de turbina eólica que sufre vibraciones inducidas por vórtices;

[0020] la figura 6 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una sección transversal de una pala de turbina eólica que sufre vibraciones inducidas por entrada en pérdida;

[0021] la figura 7 ilustra esquemáticamente una vista en perspectiva de una pala de turbina eólica desde la que se desprenden vórtices;

[0022] la figura 8 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un deflector en sección transversal; y

[0023] la figura 9 representa esquemáticamente un ejemplo de un procedimiento para promover una componente en dirección a lo largo de la envergadura del aire que fluye alrededor de una pala de turbina eólica.

[0024] Descripción detallada de los ejemplos

[0025] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la divulgación, ilustrándose uno o más de sus ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención.

[0026] La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de una turbina eólica 160. Como se muestra, la turbina eólica 160 incluye una torre 170 que se extiende desde una superficie de soporte 150, una góndola 161 montada en la torre 170 y un rotor 115 acoplado a la góndola 161. El rotor 115 incluye un buje 110 rotatorio y al menos una pala de rotor 120 acoplada a y que se extiende hacia afuera desde el buje 110. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 115 incluye tres palas de rotor 120. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 115 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 120. Cada pala de rotor 120 se puede espaciar alrededor del buje 110 para facilitar la rotación del rotor 115 para posibilitar que la energía cinética se transfiera, a partir del viento, en energía mecánica usable y, posteriormente, en energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 110 se puede acoplar de forma rotatoria a un generador eléctrico 162 (figura 2) situado dentro de la góndola 161 para permitir que se produzca energía eléctrica.

[0027] [0014]La figura 2 ilustra una vista interna simplificada de un ejemplo de la góndola 161 de la turbina eólica 160 de la figura 1. Como se muestra, el generador 162 se puede disponer dentro de la góndola 161. En general, el generador 162 se puede acoplar al rotor 115 de la turbina eólica 160 para generar potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 115. Por ejemplo, el rotor 115 puede incluir un eje de rotor principal 163 acoplado al buje 110 para su rotación con el mismo. A continuación, el generador 162 se puede acoplar al eje de rotor 163 de modo que la rotación del eje de rotor 163 accione el generador 162. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el generador 162 incluye un eje de generador 166 acoplado de forma rotatoria al eje de rotor 163 a través de una caja de engranajes 164.

[0028] Se debe apreciar que el eje de rotor 163, la caja de engranajes 164 y el generador 162, en general, se pueden soportar dentro de la góndola 161 por un bastidor de soporte o bancada 165 situado encima de la torre de turbina eólica 170.

[0029] La góndola 161 está acoplada de forma rotatoria a la torre 170 a través del sistema de orientación 20 (“yaw system”) de modo que la góndola 161 pueda rotar alrededor de un eje de orientación YA. El sistema de orientación 20 comprende un rodamiento de orientación (“yaw bearing”) que tiene dos componentes de rodamiento configurados para rotar uno con respecto al otro. La torre 170 está acoplada a uno de los componentes de rodamiento, y la bancada o bastidor de soporte 165 de la góndola 161 está acoplado al otro componente de rodamiento. El sistema de orientación 20 (“yaw system”) comprende un engranaje anular 21 y una pluralidad de accionamientos de orientación 22 (“yaw drives”) con un motor 23, una caja de engranajes 24 y un piñón 25 para engranarse con el engranaje anular 21 para rotar uno de los componentes de rodamiento con respecto al otro.

[0030] Las palas 120 están acopladas al buje 110 con un rodamiento depitch100 entre la pala 120 y el buje 110. El rodamiento depitch100 comprende un anillo interior y un anillo exterior. Una pala de turbina eólica se puede fijar al anillo de rodamiento interior o bien al anillo de rodamiento exterior, mientras que el buje está conectado en el otro. Una pala 120 puede realizar un movimiento de rotación relativo con respecto al buje 110 cuando se acciona un sistema depitch107. Por lo tanto, el anillo de rodamiento interior puede realizar un movimiento de rotación con respecto al anillo de rodamiento exterior. El sistema depitch107 de la figura 2 comprende un piñón 108 que se engrana con un engranaje anular 109 provisto en el anillo de rodamiento interior para poner en rotación la pala de turbina eólica alrededor de un eje depitchPA.

[0031] Una vista en perspectiva esquemática de una pala de turbina eólica 120, por ejemplo, una de las palas de rotor 120 mostradas en la figura 1, se ilustra como ejemplo en la figura 3. La pala de rotor 120 incluye una raíz de pala 210, una punta de pala 220, un borde de ataque 260 y un borde de salida 270. La raíz de pala 210 está configurada para montar la pala de rotor 120 en el buje 110 de una turbina eólica 160. La pala de turbina eólica 120 se extiende longitudinalmente entre la raíz de pala 210 y la punta de pala 220. Una envergadura 230 define una longitud de la pala de rotor 120 entre dicha raíz de pala 210 y la punta de pala 220. Una cuerda 280 en una posición dada de la pala es una línea recta imaginaria que une el borde de ataque 260 y el borde de salida 270, teniendo la sección transversal, en general, una sección transversal conformada como perfil alar. Como se entiende, en general, una dirección a lo largo de la cuerda es sustancialmente perpendicular a una dirección a lo largo de la envergadura. Además, la cuerda 280 puede variar en longitud a medida que la pala de rotor 120 se extiende desde la raíz de pala 210 hasta la punta de pala 220. La pala de turbina eólica 120 también incluye un lado de presión 240 y un lado de succión 250 que se extienden entre el borde de ataque 260 y el borde de salida 270. La pala de rotor 120 tiene un perfil alar y, por tanto, una sección transversal en forma de perfil alar 290, tal como una sección transversal en forma de perfil alar simétrica o combada.

[0032] La pala de turbina eólica 120 incluye además un deflector 300 fijado a un lado de succión 250 de acuerdo con el ejemplo de la figura 3. En otros ejemplos, un deflector 300 se puede fijar a un lado de presión 240. O un deflector 300 se puede extender tanto a lo largo del lado de succión 250 como del lado de presión 240. La función y estructura de este deflector 300 se explicarán más adelante.

[0033] La figura 4 ilustra un ejemplo esquemático de una sección transversal en una posición en dirección a lo largo de la envergadura de una pala de turbina eólica 120, por ejemplo, la pala de turbina eólica 120 de cualquiera de las figuras 1 y 3. La figura 4 muestra un flujo de aire 320, que puede alcanzar una pala de turbina eólica 120 con un ángulo de ataque 310 que sea mucho mayor de lo habitual en operación, por ejemplo, alrededor de 60-70°. Un ángulo de ataque de este tipo se puede producir, por ejemplo, cuando la turbina eólica está estacionaria o en marcha en vacío. En una situación de este tipo, un sistema de orientación de la turbina eólica puede estar inoperativo, y las palas pueden estar en una posición de paleta. Debido a que no se produce la orientación del rotor, el viento puede proceder de cualquier ángulo en una turbina eólica.

[0034] El ángulo de ataque 310 se mide entre la dirección del viento entrante y la línea discontinua 305, que indica una dirección a lo largo de la cuerda 305. La vibración puede suceder cuando una turbina eólica 160 está estacionaria o en marcha en vacío y, en particular, cuando el flujo de aire 320 puede alcanzar una pala de turbina eólica 120 desde varias direcciones. El flujo de aire 320 que alcanza una pala de turbina eólica 120 desde varias direcciones se puede denominar flujo transversal. El flujo transversal puede posibilitar que los ángulos de ataque 310 sean lo suficientemente altos para provocar que uno o más componentes de turbina eólica oscilen. Los términos vibrar y oscilar se pueden usar de manera intercambiable a lo largo de esta divulgación.

[0035] [0022]En la técnica se sabe que el viento puede provocar oscilaciones en la turbina eólica. Sin embargo, en general, se cree que estas oscilaciones están provocadas específicamente por la góndola y/o la torre. Los autores de la presente invención han descubierto que una causa principal de las oscilaciones por torre y generador de turbina eólica completa son las vibraciones inducidas por vórtices (VIV) y vibraciones inducidas por entrada en pérdida (SIV) de pala.

[0036] En un ángulo de ataque como el indicado en la figura 4 (por ejemplo, alrededor de 60° o 70°), la pala puede formar esencialmente un cuerpo romo. Aunque no sea visible en la figura, el viento entrante también puede tener una componente en dirección a lo largo de la envergadura.

[0037] Las vibraciones en las turbinas eólicas pueden ser, por ejemplo, vibraciones inducidas por vórtices (VIV). En este caso, como se ilustra esquemáticamente en el ejemplo de la figura 5, el viento que fluye alrededor de una pala de turbina eólica 120 puede provocar la formación y desprendimiento de vórtices 510, por ejemplo, en forma de una calle de vórtices de Von Karman 510 corriente abajo de la pala de turbina eólica 120. El desprendimiento de vórtices puede provocar que una o más palas de turbina eólica 120 y/o la torre de turbina eólica 170 comiencen a oscilar. Por ejemplo, una pala de turbina eólica 120 puede comenzar a oscilar en un plano sustancialmente paralelo a una cuerda 280 de la pala de turbina eólica 120, como se ilustra esquemáticamente por la flecha 520 en la figura 5. Las VIV pueden someter a tensión los componentes estructurales de la turbina eólica 160.

[0038] En un ejemplo, los ángulos de ataque 310 que pueden provocar las VIV pueden ser ángulos de entre 60 y 120°, y específicamente de entre 70° y 110°. En otro ejemplo, dichos ángulos 310 pueden ser de entre 240 y 300°. Los ángulos de flujo de entrada (ángulo entre una dirección de cuerda y la dirección del viento en un plano horizontal) de entre 20 y 50° también pueden favorecer las VIV y/o SIV. Como puede que dichos ángulos de ataque 310 no se encuentren cuando una turbina eólica 160 está en operación normalmente, por ejemplo, cuando las palas de turbina eólica 120 puedan estar orientadas y/opitcheadas, pueden tener lugar principalmente VIV y se pueden volver, en particular, problemáticas cuando una turbina eólica 160 está estacionaria o en marcha en vacío.

[0039] Las vibraciones también pueden ser vibraciones inducidas por entrada en pérdida (SIV). En este caso, el ángulo de ataque 310 es tal que provoca que el flujo de aire se separe de una superficie de una pala de turbina eólica 120 y la formación de vórtices 610 y fluya corriente abajo de la pala de turbina eólica 120. En algunos ejemplos, el ángulo de ataque 310 de un flujo de aire puede ser de entre 15° y 30°. Una ilustración esquemática de este efecto se ilustra en la figura 6. Estos vórtices 610 pueden provocar que la pala de turbina eólica 120 oscile en un plano sustancialmente paralelo y/o inclinado con respecto a una cuerda 280 de la pala de turbina eólica 120, como se ilustra esquemáticamente por las flechas 620 en la figura 6. De nuevo, dichas oscilaciones pueden provocar tensión en los componentes estructurales de la turbina eólica 160 y provocar daños por fatiga e incluso potencialmente provocar un fallo catastrófico de la turbina eólica. Como las turbinas eólicas modernas rara vez pueden experimentar entrada en pérdida en operación, las SIV pueden afectar a una turbina eólica en marcha en vacío, y, más en particular, estacionaria.

[0040] En referencia, de nuevo, a la figura 3, en un aspecto, una pala de turbina eólica 120 comprende un deflector 300 fijado a la pala de turbina eólica 120 de modo que el deflector 300 altere o perturbe una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 del aire 320 que fluye alrededor de la pala de turbina eólica 120 cuando la pala de turbina eólica 120 está montada en una turbina eólica 160 y la turbina eólica 160 está estacionaria o en marcha en vacío. Un ejemplo de dicho deflector 300 en sección transversal se puede ver en la figura 4.

[0041] La perturbación de una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 (véase la figura 3) del aire 320 que fluye alrededor de la pala de turbina eólica 120 puede reducir e incluso detener la vibración de uno o más componentes de una turbina eólica 160, por ejemplo, la pala de turbina eólica 120. En algunos ejemplos, la perturbación de una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 del aire 120 que fluye alrededor de una pala de turbina eólica 120 puede reducir e incluso detener la vibración de toda la turbina eólica 160. En particular, se pueden mitigar las VIV y/o SIV.

[0042] Una dirección del aire 320 que fluye alrededor de una turbina eólica 120 se puede descomponer en una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410, una componente en dirección a lo largo de la cuerda 405 y una componente vertical 415. La componente vertical es perpendicular a la componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 y a la componente a lo largo de la cuerda 405. Un deflector 300 puede modificar una magnitud y/o dirección del flujo de aire 320 y, en particular, puede perturbar una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 del flujo de aire 320 sin destruir, es decir, sin hacer desaparecer, la componente en dirección a lo largo de la envergadura 410, como se muestra esquemáticamente en la figura 3. En general, la componente en dirección a lo largo de la cuerda 405, que domina principalmente en la operación de la turbina normal, tampoco se puede destruir.

[0043] [0030]Como se puede ver en la figura 3, el deflector 300 modifica una dirección y/o magnitud del flujo de aire 320, y, en particular, una magnitud de una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 de dicho flujo de aire 320. Al pasar contra y sobre el deflector 300, el flujo de aire 320 se puede volver más turbulento. Se puede potenciar una magnitud de una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410' del flujo de aire 325 resultante. Es decir, se puede promover el flujo en dirección a lo largo de la envergadura 410' después de la interacción de un flujo de aire entrante con un deflector 300. En el contexto de la interacción con un deflector 300, un flujo de aire entrante se puede referir a un flujo de aire que se acerca y rodea a una pala de turbina eólica 120 antes de encontrarse con el deflector 300. Un flujo de aire 325 resultante se puede entender como el flujo de aire 325 que permanece después de que el flujo de aire entrante se haya encontrado con el deflector 300.

[0044] En algunos ejemplos, la pala de turbina eólica 120 está configurada para hacer los desprendimientos de vórtices 510 incoherentes a lo largo de la envergadura de la pala.

[0045] Como se muestra esquemáticamente en la figura 7, el desprendimiento de vórtices se puede producir en varias posiciones a lo largo de una longitud o envergadura 230 de una pala de turbina eólica 120. A este respecto, si en la figura 7 el viento va hacia arriba 320, es decir, en una dirección sustancialmente paralela al eje z indicado en esta figura, se puede imaginar una calle de Von Karman 510 corriente abajo de todas estas posiciones. Por ejemplo, y solo con propósitos ilustrativos, se podría imaginar que se pueden formar cuatro calles de Von Karman S1, S2, S3 y S4 como se ilustra esquemáticamente en la figura 7. De S1 a S4 se pueden propagar en un plano xz. Como se ilustra en la figura 7, el eje z es perpendicular a los ejes x e y, en los que el eje x es paralelo a una cuerda 280 de la pala de turbina eólica 120 y el eje y es paralelo a una longitud 230 de la pala de turbina eólica 120.

[0046] S1 y S2 pueden ser coherentes en dirección a lo largo de la envergadura porque las fuerzas F1 y F2 provocadas sobre la pala de turbina eólica 120 por S1 y S2, respectivamente, van sustancialmente en la misma dirección al mismo tiempo. En el ejemplo de la figura 7, F1 y F2 van en la dirección x. Por lo tanto, estas dos fuerzas se suman y se puede potenciar la vibración, por ejemplo, de la pala de turbina eólica 120.

[0047] Sin embargo, puede que S3 y S4 no sean coherentes en dirección a lo largo de la envergadura porque, en este ejemplo, las fuerzas F3 y F4 provocadas sobre la pala de turbina eólica 120 por S3 y S4, respectivamente, van sustancialmente en direcciones opuestas al mismo tiempo. En este ejemplo, F3 va en la dirección x y F4 va en la dirección x. Esto puede ser debido al hecho de que puede existir un desplazamiento 710 entre S3 y S4. Como se indica en la figura 7, se puede medir un desplazamiento 710 en una dirección sustancialmente perpendicular a una longitud 230 y una cuerda 280 de la pala de turbina eólica 120, es decir, en una dirección z. En este ejemplo particular, el desplazamiento 710 es tal que F3 y F4 van en direcciones opuestas con una misma magnitud. Por lo tanto, la fuerza F3 se puede cancelar por la fuerza F4, y las vibraciones, por ejemplo, de la pala de turbina eólica 120, se pueden reducir.

[0048] De ahí que hacer que dos o más desprendimientos de vórtices 510 sean incoherentes en dirección a lo largo de la envergadura se puede entender como descorrelacionar los desprendimientos de vórtices 510, por ejemplo, incrementando un desplazamiento entre los desprendimientos de vórtices 510. En consecuencia, un deflector 300 fijado a una pala de turbina eólica 120 puede hacer los desprendimientos de vórtices 510 incoherentes en dirección a lo largo de la envergadura al descorrelacionarlos, por ejemplo, al hacerlos menos similares en las proximidades de un mismo punto en el eje y de la figura 7. Esto puede provocar un desplazamiento 710 entre ellos. Las vibraciones, por ejemplo, las VIV, se pueden reducir en consecuencia.

[0049] Cabe señalar que puede que la descorrelación de dos o más desprendimientos de vórtices 510 no provoque necesariamente que surjan fuerzas en direcciones opuestas. Por ejemplo, las fuerzas todavía pueden actuar en la misma dirección que antes de la descorrelación, pero una magnitud y/o una fase coincidente de una o más de las fuerzas pueden haber disminuido. Por lo tanto, una fuerza ejercida por la pluralidad de desprendimientos de vórtices 510 que actúan sobre una pala de turbina eólica 120 puede ser menor que antes de la descorrelación. En un caso de este tipo, las vibraciones también se pueden reducir.

[0050] De acuerdo con la invención, los deflectores de la pala de turbina eólica 120 están configurados para promover un flujo de aire turbulento 325, resultante de la componente de flujo transversal en una condición en marcha en vacío o estacionaria, a lo largo de una longitud 230 de la pala de turbina eólica 120. En el presente documento, la promoción de un flujo de aire turbulento 325 a lo largo de una longitud 230 de la pala de turbina eólica 120 se puede referir al hecho de que el flujo de aire 325 después de pasar sobre el deflector 300 es más turbulento que un flujo de aire entrante y/o el flujo de aire sin el deflector. Si el flujo de aire se vuelve más turbulento después de encontrarse con el deflector 300, en particular, en una dirección a lo largo de la envergadura, se pueden reducir las oscilaciones en una turbina eólica (en particular, una turbina eólica estacionaria o en marcha en vacío). En operación normal, la componente en dirección a lo largo de la envergadura 325 es relativamente pequeña o insignificante, y el deflector 320 no perturba el flujo normal, permitiendo que la pala opere como se diseña en condiciones óptimas.

[0051] Por ejemplo, si una superficie, por ejemplo, una parte de un lado de succión 250 de la pala de turbina eólica 120, sufre los efectos de flujo transversal, un flujo de aire turbulento 325 que se produce sobre esta superficie puede modificar el aire que fluye sobre ella y se pueden reducir las vibraciones de la pala 120. Esto puede reducir las vibraciones de la turbina eólica 160, en particular, las VIV y/o SIV.

[0052] [0039]En algunos ejemplos, el deflector 300 puede ser un deflector 300 alargado fijado a la pala de turbina eólica 120 de modo que una longitud del deflector 300 siga un perímetro de la pala de turbina eólica 120 en sección transversal y el deflector 300 sobresalga de una superficie de la pala de turbina eólica 120. Un ejemplo de un deflector 300 alargado se puede ver en la figura 4. El deflector 300 puede ser sustancialmente una placa plana que se extienda tanto a lo largo del lado de presión como del lado de succión y desde el borde de ataque hasta el borde de salida.

[0053] En algunos ejemplos, como, por ejemplo, como se ilustra en la figura 4, el deflector 300 alargado sobresale sustancialmente perpendicular a una superficie local de la pala de turbina eólica 120. Una superficie local se puede entender como una superficie a la que se fija el deflector alargado. Dicha perpendicularidad, o, en otras palabras, un plano de simetría definido por una longitud 301 y una altura 302 del deflector 300, puede posibilitar homogenizar una acción por el deflector 300 en un flujo de aire entrante independientemente de su dirección. En algunos otros ejemplos, puede que el deflector 300 alargado no sobresalga sustancialmente perpendicular a una superficie local. Por ejemplo, puede suceder que un ángulo de inclinación entre el deflector 300 y una superficie local de la pala de turbina eólica 120 a la que está fijado el deflector 300 se pueda seleccionar de acuerdo con las particularidades del aire que fluye en la región donde se ubica una turbina eólica 160.

[0054] El deflector 300 alargado se puede fijar a una pala de turbina eólica 120 a cualquier distancia de la punta 220 de la pala de turbina eólica 120. En algunos ejemplos, el cuerpo 300 se fija a la pala de turbina eólica 120 en de un 20 % a un 80 % de la envergadura, y específicamente entre un 20 y un 60 % de la envergadura. Este intervalo de distancias posibilita lograr un equilibrio entre mitigar las vibraciones y afectar al rendimiento de la turbina eólica 160 en operación normal. Por ejemplo, si un deflector 300 se coloca fuera de este intervalo, por ejemplo, cerca de la raíz 210 o cerca de la punta 220, el deflector 300 puede obviar una gran cantidad de flujo de aire entrante o puede provocar ruido en exceso, respectivamente. Por tanto, en este intervalo, las vibraciones se pueden reducir mientras que puede que el rendimiento de la turbina eólica 160 no se vea afectado negativamente, o apenas sea vea afectado. En un ejemplo, una pala de turbina eólica 120 puede tener una longitud 230 o envergadura 230 de 70 m y un deflector 300 se puede fijar a 30 m de la raíz de pala 210. En algunos casos se puede instalar más de un deflector, especialmente para palas muy largas.

[0055] Una manera de determinar una ubicación adecuada para los deflectores de acuerdo con la presente divulgación es usar un análisis aeroelástico de una pala a lo largo de su longitud para calcular o estimar qué partes de la pala contribuyen positivamente a una vibración (es decir, el viento transfiere energía a la pala) y qué parte de la pala reduce una vibración (es decir, estas partes transfieren energía de la pala al viento). Una medida para determinar una contribución de este tipo es el trabajo aerodinámico por ciclo. Los deflectores se pueden colocar, en particular, en áreas de la pala donde la contribución de la pala a una vibración sea positiva.

[0056] Dicho procedimiento puede ser reiterativo, es decir, se hace una simulación o análisis aeroelástico en una pala simulada que tenga uno o más deflectores.

[0057] En algunos ejemplos, una altura 302 del deflector 300 es de entre 0,1 y 2 veces el espesor local (máximo) del perfil alar de la pala de turbina eólica 120. En este intervalo, se puede lograr un equilibrio entre la reducción de vibraciones y la afectación al rendimiento de la turbina eólica 160. Si la altura 302 del deflector 300 es demasiado pequeña, por ejemplo, menos de 0,1 veces el espesor local de la pala de turbina eólica 120, puede que las vibraciones no se atenúen lo suficiente, puesto que puede que el deflector no perturbe lo suficiente un flujo en dirección a lo largo de la envergadura. Si la altura 302 del deflector 300 es demasiado grande, por ejemplo, más del doble del espesor local de la pala de turbina eólica 120, el rendimiento de la turbina eólica 160 se puede ver afectado en exceso de una manera negativa. Además, un deflector relativamente grande podría añadir un peso significativo a la pala. En un ejemplo, una altura 302 del deflector 300 puede ser de 40 cm.

[0058] Una longitud 301 del deflector 300 se puede extender parcial o totalmente sobre una cuerda local de la pala. En la figura 4, una longitud 301 del deflector 300 se extiende parcialmente a lo largo del perfil de la sección transversal local de la pala, es decir, solo se cubre una parte de una pala entre el borde de ataque y el borde de salida. En algunos ejemplos, el deflector 300 cubre, al menos en parte, al menos uno de: un borde de ataque 260 y un borde de salida 270 de la pala de turbina eólica 120.

[0059] En algunos otros ejemplos, una longitud 301 del deflector 300 se puede extender desde el borde de ataque local hasta el borde de salida local, y seguir todo el perfil local.

[0060] Las dimensiones del deflector 300 y su posición en la pala de turbina eólica 120 se pueden elegir dependiendo, por ejemplo, de la forma y dimensiones de la pala de turbina eólica. A este respecto, se pueden realizar simulaciones informáticas para optimizar las dimensiones y la ubicación del deflector 300 en una pala de turbina eólica 120.

[0061] [0048]En algunos ejemplos, una parte superior 303 del deflector 300 comprende irregularidades 304, es decir, a lo largo de su longitud, el deflector puede tener una altura no constante. Una parte superior 303 se puede entender como un lado del deflector 300 opuesto al lado del deflector 300 que está fijado a la pala de turbina eólica 120. La figura 8 muestra un ejemplo de un deflector 300 que tiene una parte superior 303 que incluye irregularidades 304. Las irregularidades 304 pueden incluir salientes y/o rebajos. Las irregularidades 304 se pueden extender sobre toda la parte superior 303 del deflector 300, como se muestra en la figura 8, o se pueden extender sobre una parte de él. La figura 8 muestra una parte superior 303 ondulada del deflector 300, pero son posibles irregularidades 304 que tengan una forma diferente, por ejemplo, una forma triangular o rectangular. Las irregularidades 304 pueden facilitar la perturbación de una componente en dirección a lo largo de la envergadura del aire que fluye alrededor de la pala de turbina eólica como se divulga en el presente documento.

[0062] Un deflector 300 puede estar hecho de metales (ligeros) o materiales compuestos, tales como polímeros reforzados con fibra. En algunos ejemplos, un deflector 300 se puede fabricar de fibra de carbono o fibra de vidrio. Un deflector 300 puede ser fuerte y ligero en consecuencia.

[0063] De acuerdo con la invención, un deflector 300 es una barrera alar y, en algunos ejemplos, puede ser similar a una placa plana, y, en general, es similar a las barreras de capa límite o generadores de vórtices en un plano alar. Es decir, pueden ser relativamente delgados y extenderse tanto desde la superficie de presión como desde la superficie de succión de una pala.

[0064] Sin embargo, cabe señalar que el propósito y funcionamiento de dichas barreras alares y generadores de vórtices difieren del propósito y funcionamiento de un deflector 300 descrito en el presente documento. En particular, las barreras alares en una aeronave tienen el objetivo de detener o destruir una componente en dirección a lo largo de la envergadura del flujo de aire, mientras que, en la presente divulgación, el objetivo no es eliminar una componente en dirección a lo largo de la envergadura (esto, en cualquier caso, apenas sería posible dependiendo de la dirección del viento). Más bien, el objetivo es perturbar una componente en dirección a lo largo de la envergadura del flujo de aire, por ejemplo, haciéndolo más turbulento. En el presente documento se puede potenciar una componente en dirección a lo largo de la envergadura del flujo de aire. Por tanto, el funcionamiento y objetivo de los dispositivos en las alas del avión son distintos, e incluso bastante opuestos, a los de los deflectores 300.

[0065] Aunque se muestra un deflector 300 en las figuras 3 y 4, se puede colocar más de un deflector 300 en una pala de turbina eólica 120. Se pueden realizar simulaciones informáticas para optimizar un número de deflectores 300 que se vayan a fijar a una pala de turbina eólica 120.

[0066] De acuerdo con la invención, una turbina eólica 160, por ejemplo, la turbina eólica 160 de la figura 1, comprende una torre de turbina eólica 170, una góndola 161 en la parte superior de la torre 170, un rotor 115 montado en la góndola 161 y una o más palas de turbina eólica 120 que comprenden una o más palas de turbina eólica 120 que incluyen uno o más deflectores 300 como se describe en el presente documento.

[0067] De acuerdo con otro aspecto, se proporciona una pala de turbina eólica, que comprende una superficie de pala que se extiende desde una raíz de pala hasta una punta de pala, y que tiene una superficie de presión y una superficie de succión, en la que una envergadura de la pala está definida por una distancia entre la raíz de pala y la punta de pala. La pala que comprende un deflector fijado a la superficie de pala se puede configurar para promover la turbulencia de un flujo en dirección a lo largo de la envergadura a lo largo de la pala de turbina eólica. En particular, el deflector puede promover la turbulencia de un flujo en dirección a lo largo de la envergadura a lo largo de una envergadura de la pala de turbina eólica en condiciones en marcha en vacío o estacionarias en presencia de viento de flujo transversal.

[0068] Como se explica anteriormente, una pala de turbina eólica 120 que comprende uno o más de dichos deflectores 300 puede reducir las vibraciones de uno o más componentes de una turbina eólica 160, por ejemplo, perturbando una componente en dirección a lo largo de la envergadura 410 del aire que fluye alrededor de la pala de turbina eólica 120. De forma similar, en algunos ejemplos, la pala de turbina eólica 120 se puede configurar para hacer que dos o más desprendimientos de vórtices 510 sean incoherentes en dirección a lo largo de la envergadura. En estos u otros ejemplos, la pala de turbina eólica 120 se puede configurar para crear un flujo de aire turbulento no correlacionado en dirección a lo largo de la envergadura a lo largo de una longitud 230 de la pala de turbina eólica 120. En consecuencia, las VIV y/o SIV, en particular, se pueden reducir.

[0069] En algunos ejemplos, el deflector 300 alargado está fijado a la pala de turbina eólica 120 entre 0,2 y 0,8 veces la longitud 230 de la pala de turbina eólica 120 desde la punta 220 de la pala de turbina eólica 120. Este intervalo de distancias puede proporcionar una mitigación de oscilaciones más eficaz como se explica anteriormente.

[0070] En algunos ejemplos, una altura 302 del deflector 300 alargado es de entre 0,1 y 2 veces un espesor de pala de turbina eólica 120 local. También como se indica anteriormente, una altura 302 en este intervalo puede proporcionar una reducción de vibraciones sin afectar excesivamente al rendimiento de una turbina eólica 160 de una manera negativa.

[0071] Cualquiera de las características comentadas para el deflector 300 anterior también se puede aplicar al deflector 300 alargado de este aspecto. Por ejemplo, el deflector 300 alargado puede cubrir, al menos en parte, un borde de ataque 260 y/o un borde de salida 270 de la pala de turbina eólica 120. En algunos ejemplos, una parte superior 303 del deflector 300 comprende irregularidades 304.

[0072] De acuerdo con la invención, se proporciona una turbina eólica 160 que comprende una torre de turbina eólica 170, una góndola 161 en la parte superior de la torre 170, un rotor 115 montado en la góndola 160 y una o más palas de turbina eólica 120 que incluyen uno o más deflectores 300 de acuerdo con este aspecto montadas en el rotor 115.

[0073] La presente divulgación proporciona un procedimiento 900 para instalar una pala de turbina eólica. El procedimiento comprende proporcionar una pala de turbina eólica que tenga uno o más deflectores fijados a la pala de turbina eólica, en la que los deflectores estén configurados para perturbar una componente en dirección a lo largo de la envergadura de un flujo de aire a lo largo de la pala de turbina eólica,

[0074] instalar la pala de turbina eólica en un buje de una turbina eólica, y retirar los deflectores de la pala de turbina eólica antes de iniciar la operación de la turbina eólica.

[0075] En la figura 9, un ejemplo de un procedimiento 900 para instalar una pala de turbina eólica.

[0076] El procedimiento incluye, en el bloque 905, proporcionar una pala de turbina eólica 120, uno o más deflectores 300. En el bloque 910, uno o más deflectores están fijados a la pala de turbina eólica. En otros ejemplos, se puede proporcionar una pala desde una instalación de fabricación con los deflectores ya fijados. Los uno o más deflectores 300 pueden ser como cualquiera de los deflectores 300 descritos en el presente documento. Por ejemplo, un deflector 300 puede ser un deflector alargado y, más en particular, una placa plana alargada.

[0077] El deflector 300 se puede formar por una única pieza, pero en el ejemplo del deflector 300 que rodea completamente una sección transversal de pala de turbina eólica 120, el deflector 300 se puede formar por más de una pieza y las piezas se pueden fijar entre sí para formar el deflector 300. El ensamblaje de la pluralidad de piezas se puede hacer antes de fijar el deflector 300 a la pala de turbina eólica 120 o las piezas se pueden fijar a la pala 120, a continuación, entre ellas para formar el deflector 300. De forma alternativa, el deflector 300 puede ser una única pieza y se puede deslizar a lo largo de la pala de turbina eólica 120 hasta su posición final.

[0078] El procedimiento 900 comprende además, en el bloque 920, montar la pala de turbina eólica 120 en la turbina eólica 160. Esta etapa se puede realizar antes de fijar uno o más deflectores 300 a la pala de turbina eólica 120 o después de fijarlos. En ambos casos, la turbina eólica 160 comprende además una góndola 161 en la parte superior de la torre 170 y un rotor 115 montado en la góndola 161, y el procedimiento puede comprender además montar la pala de turbina eólica 120 en el rotor 115 de la turbina eólica 160.

[0079] La fijación entre un deflector 300 y una pala de turbina eólica 120 no es permanente. De acuerdo con la invención, en el bloque 930, uno o más deflectores 300 se separan de la pala de turbina eólica 120. En este caso, el procedimiento comprende además retirar uno o más deflectores 300 de una pala de turbina eólica 120 antes de iniciar la operación de la turbina eólica 160. Los deflectores 300 solo están en la pala de turbina eólica 120 cuando la turbina eólica 160 no está en operación y pueden tener una altura 302 más grande, por ejemplo, más de una vez un espesor de pala de turbina eólica 120 local.

[0080] Un deflector 300, o una pieza de un deflector 300, se puede fijar a una pala de turbina eólica 120 usando al menos uno de encolado o fijación mecánica.

[0081] De acuerdo con el ejemplo de la figura 9, después de retirar los deflectores, la operación de la turbina eólica se puede (re)iniciar en el bloque 940.

[0082] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo los modos de realización preferentes, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la técnica. Se pretende que dichos otros ejemplos estén dentro del alcance de las reivindicaciones si tienen elementos estructurales que no difieran del lenguaje literal de las reivindicaciones. Se pueden mezclar y combinar aspectos de los diversos modos de realización descritos por un experto en la técnica para construir modos de realización y técnicas adicionales de acuerdo con los principios de esta solicitud. Los signos de referencia relacionados con los dibujos se colocan entre paréntesis en una reivindicación, y únicamente intentan incrementar la comprensibilidad de la reivindicación, y no se interpretarán como limitantes del alcance de la reivindicación.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

1.Una turbina eólica (160), que comprende:

una torre de turbina eólica (170);

una góndola (161) en la parte superior de la torre (170); y

un rotor (115) montado en la góndola (161),

en la que el rotor (115) comprende un buje (110) y una o más palas de turbina eólica (120), en la que las una o más palas de turbina eólica (120) comprenden:

una superficie de pala, y una o más barreras alares (300) fijadas a la superficie de pala de turbina eólica configuradas para perturbar una componente en dirección a lo largo de la envergadura (410) del aire (320) que fluye alrededor de la pala de turbina eólica (120), y en la que las barreras alares (300) de la pala de turbina eólica (120) están configuradas para promover un flujo de aire turbulento en dirección a lo largo de la envergadura (325),

caracterizada por que

las barreras alares (300) están configuradas para retirarse de la pala de turbina eólica (120) antes de iniciar la operación de la turbina eólica (160).

2.La turbina eólica (160) de la reivindicación 1, en la que una o más de las barreras alares están fijadas en una posición de entre un 20 y un 80 % de una envergadura de la pala, y específicamente en una posición de entre un 20 % y un 60% de la envergadura.

3.La turbina eólica (160) de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 2, en la que una altura (302) de la barrera alar es de entre 0,1 y 2 veces un espesor máximo de un perfil alar local de la pala de turbina eólica (120).

4.La turbina eólica (160) de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, en la que las barreras alares están configuradas para hacer que los desprendimientos de vórtices (510) sean incoherentes a lo largo de una envergadura de la pala (120).

5.La turbina eólica (160) de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, en la que la barrera alar es una placa alargada que sobresale de una superficie de la pala de turbina eólica (120) y que se extiende sustancialmente a lo largo de una dirección de cuerda local.

6.La turbina eólica (160) de la reivindicación 5, en la que la barrera alar sobresale de una superficie de presión (240) y una superficie de succión (250) de la pala (120).

7.La turbina eólica (160) de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, en la que la barrera alar cubre, al menos en parte, al menos uno de: un borde de ataque (260) y un borde de salida (270) de la pala de turbina eólica (120).

8.Un procedimiento para instalar una pala de turbina eólica (120) en una turbina eólica (160), comprendiendo el procedimiento:

proporcionar una pala de turbina eólica (120) que tiene uno o más deflectores (300) fijados a la pala de turbina eólica (120), en el que los deflectores (300) son barreras alares, y en el que las barreras alares (300) están configuradas para perturbar una componente en dirección a lo largo de la envergadura (410) de un flujo de aire (320) a lo largo de la pala de turbina eólica (120),

instalar la pala de turbina eólica (120) en un buje (110) de la turbina eólica (160), y

retirar las barreras alares (300) de la pala de turbina eólica (120) antes de iniciar la operación de la turbina eólica (160).

9.El procedimiento de la reivindicación 8, en el que las barreras alares están configuradas para promover la turbulencia en la componente en dirección a lo largo de la envergadura (410) de un flujo de aire (320) a lo largo de la pala de turbina eólica (120).

10.El procedimiento de la reivindicación 8 o 9, en el que las palas de turbina eólica (120) comprenden una pluralidad de barreras alares, en el que las barreras alares están provistas en una posición de entre un 20 y

un 80 % de una envergadura de la pala (120).