WO2009068719A1 - Perfil aerodinámico para la raíz de una pala de aerogenerador con doble borde de ataque. - Google Patents

Perfil aerodinámico para la raíz de una pala de aerogenerador con doble borde de ataque. Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a wind turbine blade optimized aerodynamically and in particular to a wind turbine blade optimized in the root region.
  • the aerodynamic profiles used in wind turbine blades have different functional characteristics in the root region, in the intermediate region and in the tip region.
  • the wind turbine blades In the root region the wind turbine blades generally have profiles of a relative thickness higher than in the rest of the blade.
  • An example of a profile of a root region having a relative thickness in the range 24% -26% is described in EP 0 663 527 A1.
  • a profile in the root region of the blade has a maximum high lift coefficient and a high lift-resistance ratio close to the maximum lift coefficient to aid rotor starting and energy production at average wind speeds.
  • the value of the lift coefficient is usually moderate in this type of profiles and occurs at moderately low angles of attack.
  • An object of the present invention is to provide a wind turbine blade with a profile in the root region that improves the operation of the wind turbine blade.
  • Another object of the present invention is to provide a wind turbine blade with a profile in the root region with a higher bearing coefficient at significantly higher angles of attack and less sensitive to dirt conditions than traditional profiles of high relative thickness .
  • Another object of the present invention is to provide a wind turbine blade with an aerodynamically optimized profile in the root region that allows a cost-efficient manufacturing process.
  • a wind turbine blade with an aerodynamic profile with a leading edge, a trailing edge and pressure and suction sides between the leading edge and the trailing edge, in which the pressure side has a first convex part and a second concave part, said profile having at least a section of the root region of the blade a relative thickness in the range 30% -50% and the convex part of the pressure side being configured so that its curvature decreases from a CO value at the leading edge to a C1 value at a first point P1, then increases to a C2 value at a second point P2 and then decreases until a value 0 at the end of the convex part.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a wind turbine blade.
  • Figure 2 shows a known profile for the root region of a wind turbine blade.
  • Figure 3 shows the curvature distribution for the profile shown in Figure 2.
  • Figures 4, 5, 6 show profiles according to the present invention for the root region of a wind turbine blade.
  • Figure 7 shows the distribution of curvature for a profile similar to those shown in Figures 4, 5, 6.
  • a typical wind turbine blade 1 has three regions: the root region 31 which includes the portion of the blade 1 that is close to the rotor hub, the tip region 35 which includes the portion of the blade
  • the length of the root region 31 is approximately 10% -50% of the length of the blade.
  • the length of the intermediate region 33 is approximately 80% -40% of the length of the blade.
  • the length of the region of the tip 35 is approximately 10% of the length of the blade.
  • the shape, contour and length of the blades of a wind turbine determines, to a large extent, the efficiency and electrical production capacity of the wind turbine.
  • the rotor hub is mounted on a rotating shaft connected either directly or through a multiplier to drive an electric generator located in a gondola and generate electrical energy that can be transmitted to a public power grid or to a device or installation of electrical energy storage
  • a cross section of a wind turbine blade taken perpendicular to the imaginary line that connects the blade root to the tip of the blade is generally called the aerodynamic profile.
  • An important parameter of a profile is its thickness, that is, the maximum distance between the suction side and the pressure side that can be expressed as a fraction of the length of the rope.
  • any wind turbine blade is its ability to generate a lift that provides components of forces to the blades that cause its rotation.
  • the lift of a wind turbine blade can be considered in reference to selected relevant profiles, recognizing that the lift of the complete blade is obtained by integrating the supports of all profiles of the blade.
  • the magnitude of the lift of a profile depends on many factors, including the speed of the incident wind, the shape and contour of the profile and the angle of attack, that is, the angle between the imaginary line, or line of rope, which extends from the leading edge to the trailing edge and a vector indicative of the speed and direction of the wind flow.
  • the support coefficient of a profile is a convention adopted to represent the profile with a unique non-dimensional value.
  • Figure 2 shows a typical profile 3 of the root region 31 of a blade
  • the rope 29 is an imaginary line drawn between the leading edge 13 and the trailing edge 15.
  • the shape of said profile is defined by coordinates (x, y) of the suction and pressure sides expressed as fractions of the length of the rope.
  • the profile shown in Figure 1 is a profile with a high relative thickness.
  • the pressure distribution on the suction and pressure sides 17, 19, which determines the operation of the profile, can be considered as a function dependent on the distribution of curvature on both sides, the curvature being defined as the inverse of the radius of curvature in any point along those sides.
  • a relevant feature of the shape of the curvature distribution along the profile shown in Figure 2 is that it has a continuous lobe at the leading edge.
  • Figures 4, 5, 6 show profiles 5, 5 ', 5 "according to this invention for at least the section 37 of the root region 31 which have, like the profile 3 shown in Figure 2, a leading edge 13, an exit edge 15 and a supporting surface with a suction side 17 and a pressure side 19.
  • the length of said section 37 extends between 1% and 100% of the length of the root region 31.
  • Figure 7 which shows a distribution of curvature applicable to profiles 5, 5 'and 5 "shown in Figures 4, 5, 6, it can be seen that The curvature of the pressure side has a maximum value CO at the starting point PO at the leading edge 13.
  • P1 is located in a section of the profile corresponding to a position of the rope in the range of 1% to 8% of the length of the rope measured from the leading edge 13.
  • P2 is located in a section of the profile corresponding to a position of the rope in the range of 5% to 40% of the length of the rope measured from the leading edge 13.
  • the C2 value of the curvature at the "second" leading edge 27 is less than the CO value of the curvature at the leading edge 13.
  • the C2 value of the curvature is between 40% -90% of the CO value of the curvature.

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Abstract

Perfil aerodinámico para Ia raíz de una pala de aerogenerador con doble borde de ataque, con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión (17, 19) entre el borde de ataque (13) y el borde de salida (15), teniendo el perfil (5, 5', 5") en al menos una sección (37) de Ia región de raíz (31 ) un espesor relativo en el rango 30%-50% y estando configurada Ia parte convexa (21 ) del lado de presión (19) de manera que su curvatura decrece desde un valor C0 en el borde de ataque (13) hasta un valor C1 en un primer punto P1, luego se incrementa hasta un valor C2 en un segundo punto P2 y luego decrece hasta un valor 0 al final de Ia parte convexa (21 ).

Description

PERFIL AERODINÁMICO PARA LA RAÍZ DE UNA PALA DE AEROGENERADOR CON DOBLE BORDE DE ATAQUE
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a una pala de aerogenerador optimizada aerodinámicamente y en particular a una pala de aerogenerador optimizada en Ia región de raíz.
ANTECEDENTES
Los perfiles aerodinámicos usados en las palas de los aerogeneradores tienen distintas caracter ísticas funcionales en Ia región de raíz, en Ia región intermedia y en Ia región de punta. En Ia región de raíz las palas de aerogeneradores tienen generalmente perfiles de un espesor relativo más alto que en el resto de Ia pala. Un ejemplo de un perfil de una región de raíz que tiene un espesor relativo en el rango 24%-26% se describe en EP 0 663 527 A1 .
Es deseable que un perfil en Ia región de raíz de Ia pala tenga un máximo coeficiente de sustentación alto y una alta relación sustentación - resistencia cercana al máximo coeficiente de sustentación para ayudar al arranque del rotor y a Ia producción de energía a velocidades medias del viento. Sin embargo, el valor del coeficiente de sustentación es usualmente moderado en este tipo de perfiles y ocurre a ángulos de ataque moderadamente bajos. Esos efectos resultan de Ia necesidad de construir el área de Ia raíz con grandes cuerdas y altas torsiones (o giros) de cara a obtener Ia máxima energía. Ahora bien, el proceso de fabricación está limitado a ciertos valores de cuerdas y torsiones por Io que los valores de estas variables quedan consecuentemente restringidos de cara a optimizar los costes generales. También es deseable que estos perfiles sean menos sensibles a los efectos de suciedades o rugosidades, evitando tanto como sea posible las pérdidas de sustentación cuando se depositan partículas externas (debidas por ejemplo al hielo o a suciedades) en Ia superficie externa, por Io que deben estar idealmente diseñados para inducir una transición del flujo laminar al turbulento cerca del borde de ataque. En este sentido el documento AIAA-2003-0350, "Roughness Sensitivity considerations for tic root blade airfoils", sugiere Ia familia DU de perfiles aerodinámicos, que tienen un espesor relativo alto para afrontar los problemas de sensibilidad a las rugosidades.
Ninguno de los diseños conocidos produce resultados completamente satisfactorios, por Io que existe una continua necesidad de proporcionar palas de aerogenerador con un perfil aerodinámico optimizado en Ia región de raíz.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de Ia presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con un perfil en Ia región de raíz que mejora el funcionamiento de Ia pala de aerogenerador.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con un perfil en Ia región de raíz con un coeficiente de sustentación más alto a ángulos de ataque significativamente más altos y menos sensible a las condiciones de suciedad que los perfiles tradicionales de espesor relativo alto.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con un perfil aerodinámicamente optimizado en Ia región de raíz que permite un proceso de fabricación eficiente en costes.
Estos y otros objetos de Ia presente invención se consiguen proporcionando una pala de aerogenerador de perfil aerodinámico con un borde de ataque, un borde de salida y lados de presión y de succión entre el borde de ataque y el borde de salida, en el que el lado de presión tiene una primera parte convexa y una segunda parte cóncava, teniendo dicho perfil en al menos una sección de Ia región de raíz de Ia pala un espesor relativo en el rango 30%-50% y estando configurada Ia parte convexa del lado de presión de manera que su curvatura decrece desde un valor CO en el borde de ataque hasta un valor C1 en un primer punto P1 , luego se incrementa hasta un valor C2 en un segundo punto P2 y luego decrece hasta un valor 0 al final de Ia parte convexa. Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática en planta de una pala de aerogenerador.
La Figura 2 muestra un perfil conocido para Ia región de raíz de una pala de aerogenerador. La Figura 3 muestra Ia distribución de curvatura para el perfil mostrado en Ia Figura 2.
Las Figuras 4, 5, 6 muestran perfiles según Ia presente invención para Ia región de raíz de una pala de aerogenerador.
La Figura 7 muestra Ia distribución de curvatura para un perfil similar a los mostrados en las Figuras 4, 5, 6.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Como se muestra en Ia Figura 1 una típica pala 1 de aerogenerador tiene tres regiones: Ia región de raíz 31 que incluye Ia porción de Ia pala 1 que está próxima al buje del rotor, Ia región de punta 35 que incluye Ia porción de Ia pala
1 más distante del buje del rotor y Ia región intermedia 33 entre Ia región de raíz
31 y Ia región de punta 35.
La longitud de Ia región de raíz 31 es de aproximadamente el 10%-50% de Ia longitud de Ia pala. La longitud de Ia región int ermedia 33 es de aproximadamente el 80%-40% de Ia longitud de Ia pala. La longitud de Ia región de Ia punta 35 es de aproximadamente el 10% de Ia longitud de Ia pala.
La forma, contorno y longitud de las palas de un aerogenerador determina, en buena medida, Ia eficiencia y capacidad de producción eléctrica del aerogenerador. Como es bien conocido el buje del rotor está montado en un eje rotatorio conectado bien directamente o a través de una multiplicadora para accionar un generador eléctrico ubicado en una góndola y generar energía eléctrica que puede ser transmitida a una red eléctrica pública o a un dispositivo o instalación de almacenamiento de energía eléctrica.
Una sección transversal de una pala de aerogenerador tomada perpendicularmente a Ia imaginaria línea que conecta al raíz de Ia pala con Ia punta de Ia pala recibe generalmente el nombre de perfil aerodinámico.
Un importante parámetro de un perfil es su espesor, es decir Ia máxima distancia entre el lado de succión y el lado de presión que puede ser expresado como una fracción de Ia longitud de Ia cuerda.
Una característica importante de cualquier pala de aerogenerador es su capacidad para generar una sustentación que aporta componentes de fuerzas a las palas que causan su rotación. Como una pala de aerogenerador comprende múltiples perfiles, Ia sustentación de una pala de aerogenerador puede ser considerada en referencia a unos perfiles relevantes seleccionados, reconociendo que Ia sustentación de Ia pala completa se obtiene integrando las sustentaciones de todos perfiles de Ia pala. La magnitud de Ia sustentación de un perfil depende de muchos factores, incluyendo Ia velocidad del viento incidente, Ia forma y contorno del perfil y el ángulo de ataque, es decir el ángulo entre Ia imaginaria línea, ó línea de cuerda, que se extiende desde el borde de ataque al borde de salida y un vector indicativo de Ia velocidad y dirección del flujo de viento. El coeficiente de sustentación de un perfil es una convención adoptada para representar al perfil con un valor no dimensional único. La Figura 2 muestra un típico perfil 3 de Ia región de raíz 31 de una pala
1 de aerogenerador con un borde de ataque 13 un moderadamente romo borde de salida 15 y una superficie sustentadora con un lado de succión 17 y un lado de presión 19. La cuerda 29 es una imaginaria línea trazada entre el borde de ataque 13 y el borde de salida 15. La forma de dicho perfil se define por las coordenadas (x, y) de los lados de succión y presi ón expresadas como fracciones de Ia longitud de Ia cuerda. El perfil mostrado en Ia Figura 1 es un perfil con un espesor relativo alto.
La distribución de presión en los lados de succión y presión 17, 19, que determina el funcionamiento del perfil, puede ser considerada como una función dependiente de Ia distribución de curvatura en ambos lados, estando definida Ia curvatura como el inverso del radio de curvatura en cualquier punto a Io largo de dichos lados.
Como puede verse en Ia Figura 3, una característica relevante de Ia forma de Ia distribución de curvatura a Io largo del perfil mostrado en Ia Figura 2 es que presenta un lóbulo continuo en el borde de ataque. Las Figuras 4, 5, 6 muestran perfiles 5, 5', 5" según esta invención para al menos Ia sección 37 de Ia región de raíz 31 que tienen, como el perfil 3 mostrado en Ia Figura 2, un borde de ataque 13, un borde de salida 15 y una superficie sustentadora con un lado de succión 17 y un lado de presión 19. Las principales diferencias respecto al perfil 3 mostrado en Ia Figura 1 son, en primer lugar, que estos perfiles tienen un espesor relativo más alto (mayor ó igual del 30% y menor o igual del 50%) y, en segundo lugar, que Ia zona curvada 27 en el lado de presión 19 está configura de una manera similar a Ia zona curvada del borde de ataque 13, por Io que puede decirse que los perfiles 5, 5' y 5" tienen un "segundo" borde de ataque 27, resultado un perfil con un "doble borde de ataque". Las diferencias entre los perfiles 5, 5' y 5" se refieren principalmente a las formas del borde de salida 15 y del "segundo" borde de ataque 27.
La longitud de dicha sección 37 se extiende entre el 1 % y el 100% de Ia longitud de Ia región de raíz 31. Siguiendo Ia Figura 7, que muestra un distribución de curvatura aplicable a los perfiles 5, 5' y 5" mostrados en las Figuras 4, 5, 6, puede observarse que Ia curvatura del lado de presión tiene un valor máximo CO en el punto de partida PO en el borde de ataque 13. Luego decrece continuamente hasta un valor C1 en el punto P1 que se corresponde con una posición de Ia cuerda en, aproximadamente, el 3% de Ia longitud de Ia cuerda, luego se incrementa hasta un valor C2 en el punto P2 (el "segundo" borde de ataque 27), que se corresponde con una posición de Ia cuerda en, aproximadamente, el 17% de Ia longitud de Ia cuerda, luego decrece hasta alcanzar un valor 0 en un punto que se corresponde con una posición de Ia cuerda en, aproximadamente, el 49% de Ia longitud de Ia cuerda, en el que Ia forma del lado de presión cambia de convexa a cóncava. Más allá de ese punto las diferencias respecto a los perfiles típicos son menos relevantes.
En una realización preferente P1 esta ubicado en una sección del perfil correspondiente a una posición de Ia cuerda en el rango del 1 % al 8% de Ia longitud de Ia cuerda medido desde el borde de ataque 13. En una realización preferente P2 esta ubicado en una sección del perfil correspondiente a una posición de Ia cuerda en el rango del 5% al 40% de Ia longitud de Ia cuerda medido desde el borde de ataque 13.
En una realización preferente, el valor C2 de Ia curvatura en el "segundo" borde de ataque 27 es menor que el valor CO de Ia curvatura en el borde de ataque 13. Preferiblemente, el valor C2 de Ia curvatura está comprendido entre el 40%-90% del valor CO de Ia curvatura.
Aunque Ia presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance de, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, las reivindicaciones siguientes.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Un pala (1 ) de aerogenerador de perfil aerodinámico con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión (17, 19) entre el borde de ataque (13) y el borde de salida (15), en el que el lado de presión
(19) tiene una primera parte convexa (21 ) y una segunda parte cóncava (23), caracterizado porque, en al menos una sección (37) de Ia región de raíz (31 ), el perfil (5, 5', 5") tiene un espesor relativo en el rango 30%-50% y Ia parte convexa (21 ) del lado de presión (19) está configurada manera que su curvatura decrece desde un valor CO en el borde de ataque (13) hasta un valor C1 en un primer punto P1 , luego se incrementa hasta un valor C2 en un segundo punto
P2 y luego decrece hasta un valor 0 al final de Ia parte convexa (21 ).
2.- Una pala (1 ) de aerogenerador según Ia reivindicación 1 , caracterizada porque Ia región de raíz (31 ) se extiende entre 10% y el 50% de Ia longitud de Ia pala y dicha sección (37) se extiende entre el 1 % y el 100% de Ia longitud de Ia región de raíz (31 ).
3.- Una pala (1 ) de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, caracterizada porque dicho primer punto P1 está ubicado en una sección del perfil correspondiente a una posición de Ia cuerda en el rango del 1 % al 8% de Ia longitud de Ia cuerda medida desde el borde de ataque (13).
4.- Una pala (1 ) de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, caracterizada porque dicho segundo punto P2 esta ubicado en una sección del perfil correspondiente a una posición de Ia cuerda en el rango del 5% al 40% de Ia longitud de Ia cuerda medida desde el borde de ataque (13).
5.- Una pala (1 ) de aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1 -4, caracterizada porque el valor C2 de Ia curvatura en el dicho segundo punto P2 está comprendido entre el 40%-90% del valor CO de Ia curvatura en el borde de ataque (13).
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