WO2014009934A2 - Descripción geométrica pala para rotor - Google Patents

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Juan Guillermo GARCÍA NAVARRO
Julián SIERRA PÉREZ
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Universidad Pontificia Bolivariana
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to the generation of renewable energies, particularly in which it takes advantage of the kinetic energy of the fluids.
  • the present invention relates more specifically to the unconventional design of the blade geometry of a rotor of a machine that generates energy from the transformation of the kinetic energy that a moving fluid possesses.
  • Document US2011 / 0070094 Al describes an invention whose geometry has a curvature that under different principles to aerodynamic forces, such as reduction of area and reaction action of Newton's Third Law, promote the rotational movement of the blades, in addition to its cross section it is generated by the constant thickness sheet that channels the fluid inside the concave surface, unlike the cross section of the present invention that uses a variable aerodynamic profile in order to take advantage of the fluid-dynamic forces that are generated once the fluid passes through the lower and upper area of the profile.
  • Other documents associated with the category of unconventional blades are CN101846042A and JP2010261431A, which have no similarity to the operation or arrangement of the present invention, and whose sole relationship with the present The invention lies in the implementation of unconventional forms in wind turbine blades.
  • the present invention constitutes a solution to some of the problems and needs of the small-scale wind industry, where the equipment that is currently installed worldwide, offers mostly efficiencies in a range of 20 to 30%, said value It is expected to be increased with new technologies and design methodologies.
  • the present invention is directed precisely to increase said efficiency, reaching values between 45 and 55% efficiency.
  • the origin of the reference is not found, it illustrates a two-dimensional view of the first section of the blade along the plane X Q Z Q.
  • Figure 8 illustrates a three-dimensional view of the third section of the blade.
  • Figure 9 illustrates a three-dimensional view of the configuration of a preferred embodiment for the aerogeneration system.
  • Figure 10 illustrates a view of fluid flow through the aerogeneration system.
  • Figure 11 illustrates the direction of rotation of the wind turbine system.
  • the present invention discloses a blade for the generation of electrical energy from the transformation of the kinetic energy of a fluid, in a rotational movement. Said rotary movement is transferred to a central horizontal axis that can be coupled to an electric generator. This horizontal axis of rotation is defined by a Cartesian axis Z 0 which together with the Cartesian axes X 0 and 0 , form a global orthogonal reference frame of reference planes.
  • the blade (e) has a particular geometric shape that extends along the Z 0 axis, moving away from it as it develops, and is limited longitudinally by a Root (a) and a Tip (b) , whose connection is obtained through a series of constant sectional curvatures called Erii Sectional Neutral Axes that generate in their collective a continuous or discontinuous main curvature called Main Neutral Axis. In a transverse direction it is limited by an Attack Edge (f) and a Fugue Edge (d), which when joined by one or two continuous curves connecting several points, including the point corresponding to the leading edge and the edge of leakage, they form a PA ⁇ Aerodynamic Profile of variable or constant thickness. In the volume that is defined by the fencing of these five borders (Root, Tip, Attack Edge, Fugue Edge, Aerodynamic Profile) the blade geometry is generated.
  • the main geometric feature of the blade is the curvature, which is defined by the Erii Sectional Neutral Axes, which as mentioned above, when joined together form the Main Neutral Axis In whose length of curvature is given by L, which can be in a range of 0.01 m ⁇ L ⁇ 30 m.
  • L length of curvature
  • P ⁇ the union of a series of points P ⁇ is realized, these points are constructed on the inferior curve that describes the aerodynamic profile PA ⁇ , at a distance of c / 4 from the point of the leading edge, where c is the length of the string of the aerodynamic profile.
  • This Main Neutral Axis is included in a plane P, which is coincident with the plane X Q Z Q.
  • the starting point of the Main Neutral Axis At, the root is located by an auxiliary reference frame ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , begins at the intersection of the XY plane that is parallel to the X 0 F 0 plane and perpendicular to the axis of rotation Z 0 ; with the plane Y ⁇ ⁇ which is parallel to the plane Y Q Z Q ; and with the plane X ⁇ Z ⁇ which is coincident with the plane XoZ 0 and therefore with the plane P, if you have the preferred mode.
  • This point of intersection 1 between the auxiliary planes is where the Main Neutral Axis begins and is also identified as the starting point of the first of three sections of division of En.
  • the first section of division L 1 corresponds, in the preferred mode of the blade, to 20% of L, however it can be between 0. 15 * L ⁇ L 1 ⁇ 0. 25 * L.
  • This section is limited by points 1 and 2, where the latter is located at the end of the length of L 1 on the Sectional Neutral Axis ⁇ ⁇ .
  • the second division section is defined by L 2 , this section begins at point 2 and ends at point 3 located on the Sectional Neutral Axis In 2 , according to the preferred modality, this section has a length corresponding to 40% of L, however, this can vary between 0. 3 * L ⁇ L 2 ⁇ 0. 5 * L.
  • the last section of the blade division corresponds to L 3 and is bounded by points 3 and 4; its length, framed in the preferred mode is 40% of L and like the other sections it has a range of 0. 3 * L ⁇ L 3 > 0. 5 * L.
  • the different arcs that define each of the sections are tangent at each of the connection points, that is, section L 1 is tangent to section L 2 at point 2 and section L 2 is tangent to L 3 at its corresponding junction point 3.
  • the geometry of the blade undergoes a series of variations is its cross section, which are developed along the Main Neutral Axis From point 1 to point 4 and that, like the curvature L, these variations are analyzed in the same three sections L 1 L 2 L 3 .
  • the first variation that is evident is in the length of the cross section, reflected in the decrease or growth of the length of the rope c of the aerodynamic profile PAy.
  • the length of this cross section is bounded by the ranges 0.05 * L ⁇ c u ⁇ 0.3 * L and 0.01 * L ⁇ c 33 > 0.3 * L, for aerodynamic profiles located at the root and the tip of the blade, respectively.
  • the second geometric variation corresponds to a torsion that varies along the Main Neutral Axis from point 1 to point 4 and which, like the curvature L, these variations are analyzed in the same three sections L 1 L 2 ⁇ - 3-
  • This torsion is measured as a function of the angle oty that is formed between the rope c of each profile PAy and an axis perpendicular to the plane P which intersects the Main Neutral Axis at the point Pc ⁇ , -.
  • This angle can be either positive or negative, taking as a turning point or the angle 0, which is formed when the u axis is parallel to the chord c.
  • a positive angle is taken when it grows in a clockwise direction and negative in an anti-clockwise direction.
  • the torsion angle can be between the following values, —38 °> a ⁇ > 148 ° and the torsion angle of the tip can be between — 46 °> a ⁇ > 40 °.
  • this torsion is framed in a range of —31 °> a ⁇ > 30 ° and — 44 °> a ⁇ > 16 ° for the root and tip, respectively.
  • this torque is bounded by the ranges 5 °> aj> 25 ° and— 5 °> aj> 15 °, for the root and tip respectively.
  • the present invention discloses a blade for the generation of electrical energy from the transformation of the kinetic energy of a fluid, in a rotational movement, where the capacity of transformation of the kinetic energy in rotational movement is directly related to the effective area of contact between the blade and the air flow.
  • the present invention provides an increase of said effective area in comparison to a conventional straight blade, this thanks to its curved shape allows a larger contact surface to be had in the same effective diameter and therefore a greater amount of energy can be generated.
  • the curvature of the blade of the present invention allows the kinetic energy possessed by the flow of the moving fluid to be harnessed in greater proportion than that obtained in a conventional blade of mainly straight geometry. This is because the air flow that impacts the blade does not do so perpendicularly as usual in conventional designs, where most of the energy of the flow is transformed into drag forces associated with the impact pressure, because on the contrary, the flow that impacts the blade makes it at an angle with respect to the blade that allows the flow to acquire velocity components that are utilized in the transformation of the kinetic energy of the flow in the rotational movement.
  • the present invention discloses a blade for the generation of electrical energy from the transformation of the kinetic energy of a fluid, in a rotational movement. Said rotary movement is transferred to a central horizontal axis that can be coupled to an electric generator. This horizontal axis of rotation is defined by an axis Cartesian Z 0 which together with the Cartesian axes X 0 and 0 , form a global orthogonal reference frame of reference planes.
  • an embodiment of the blade (e) of the present invention is shown having a particular geometric shape that extends along the Z 0 axis, moving away from it as it develops, and it is limited in the longitudinal direction by a Root (a) and a Tip (b), whose connection is obtained by means of a series of constant sectional curvatures called Erii Sectional Neutral Axes that generate in their collective a continuous or discontinuous main curvature called Neutral Axis Main In.
  • the curvature of the Main Neutral Axis can be continuous or discontinuous, it is necessary, for the latter, to divide its length into different sections that allow characterizing the invention into continuous curvatures or Sectional Neutral Axes üri j .
  • the number of sections is one (1) Main Shafts Neutral In continuous and at least two (2) Main Shafts Neutral In batch, where L 2 cons tituye 50% of L and L 3 the remaining 50%.
  • the blade is divided into three (3) sections represented by the Sectional Neutral Axis In ith In 2 , In 3 that are between the points l - 2; 2. 3 ; and 3-4.
  • ⁇ is a constant curve that is obtained from the polynomial interpolation of several points.
  • At point 1 and perpendicular to the curve In ⁇ is located the plane range of 0 or > 40 ° and its range
  • this first section warns of a progressive change in its transverse length, this is because the c-string undergoes an increase in its dimension as it moves away from the beginning of the curve En ⁇ at point 1, where the string has a value of 0.082 * L, 0.092 * L, 0.099 * L, for the profiles PA ⁇ PA ⁇ 2 and PA ⁇ 3 , respectively.
  • this section may have progressive, regressive or combination of changes in the length of the rope, as long as they are within the following ranges: 0.05 * ⁇ 0.3 L ⁇ cii * L; 0.046 * L ⁇ c ⁇ 2 ⁇ 0.3 * L; 0.042 * L> c 13 > 0.3 * L.
  • each aerodynamic profile PAy that forms the section ⁇ ⁇ has an inclination angle a and ("n" i 2 "i 3 ) that is formed between the rope c of each PAij profile and the u axis.
  • the first aerodynamic profile of this section may be between the following values, —30 °> to u > 120 ° and the final profile torsion angle at point 2 may be between —34 °> to 13 > 105 °.
  • this torque is limited by the ranges 5 or> Aj> 25 ° and I or> Aj> 19 °, for profile ⁇ ⁇ i and 3 'respectively (see also Figure 5) .
  • This section corresponds to the inner zone, in the which concentrates the highest percentage of aerodynamic forces generated by the blade in its entirety.
  • it is a constant curve that is obtained from the polynomial interpolation of several points.
  • Section In 2 is made up of at least three (3) equidistant cross sections, whose geometric shape is an aerodynamic profile PA ⁇ , called PA 21 , PA 22 and PA 23 .
  • Each of these profiles is located a plane perpendicular to En 2 , the first plane E corresponds to the profile PA 21 and is located at point 2; the second plane F belongs to the profile PA 22 and its location is on the sectional neutral axis In 2 at an intermediate point between 2 and 3; in the third plane G is the aerodynamic profile PA 23 and is accommodated in point 3.
  • This second section unlike the first presents two sectional changes in its configuration of greater performance, the first is a progressive change in the length of the rope c from point 2 to the vicinity of the central point of curvature In 2 .
  • This point preferably located in the plane F, is considered as the point of inflection of the rope of the aerodynamic profiles of the section, since from it, the rope c of the cross sections describes a regressive behavior and its dimension begins to decrease up to point 3.
  • the rope has a value of 0.099 * L, 0.104 * L, 0.094 * L, for profiles PA 21 , PA 22 and PA 23 , respectively.
  • this section may have progressive, regressive changes or their combination in the length of the rope, as long as they are within the following ranges: 0.042 * L ⁇ c 21 ⁇ 0.3 * L; 0.034 * L ⁇ c 22 ⁇ 0.3 * L; 0.026 * L> c 23 > 0.3 * L.
  • Each aerodynamic profile PAy that makes up section In 2 has an inclination angle a ⁇ ( «21 ⁇ 22 ⁇ 23) 1 which is formed between the rope c of each profile PA ⁇ and the axis u.
  • the first aerodynamic profile of this section may be among the following values, —34 °> ⁇ 2 ⁇ ⁇ 105 ° and the final profile torsion angle at point 3 can be between —41 °> 23 ⁇ 60 °.
  • this torque is bounded by the ranges I O >a ⁇ > 19 ° and— 5 O >a ⁇ > 13 °, for profile 21 and “ 2 3 ” respectively.
  • This section corresponds to the external zone, and is where the highest values are found in the Rotational speed components, and therefore their inertia must be the lowest in order to reduce efforts, this is achieved by decreasing the size of the aerodynamic profiles that make up the section.
  • section £ 3 is shown, which is made up of at least three (3) equidistant cross sections, whose geometric shape is an aerodynamic profile PAy, designated PA 31 , PA 32 and PA33.
  • Each of these profiles is located a plane perpendicular to £ n 3 , the first plane H corresponds to profile PA 31 and is located at point 3; the second plane / belongs to the profile PA 32 and its location is on the sectional neutral axis £ n 3 at an intermediate point between 3 and 4; in the third plane / is the aerodynamic profile PJ4 33 and is accommodated in point 4.
  • This third and preferably last section develops a regressive change in its transverse length for the higher performance mode, this is because the c string suffers a decrease in its dimension as it moves away from the beginning of the curve £ n 3 in point 3.
  • the rope has a value of 0.094 * L, 0.080 * L, 0.070 * L, for profiles PA 31 , PA 32 and PA 33 , respectively.
  • this last section may have progressive, regressive changes or their combination in the length of the rope, as long as they are within the following ranges: 0.026 * L ⁇ c 31 > 0.3 * L; 0.018 * L ⁇ c 32 > 0.3 * L; 0.01 * L ⁇ c 33 > 0.3 * L.
  • Each aerodynamic profile PAy that makes up section £ n 3 has an inclination angle a ⁇ ( ⁇ 31 ⁇ 32 « 33 ) that is formed between the rope c of each profile PA ⁇ and the axis u.
  • the first aerodynamic profile of this section may be between the following values, —41 °> to 31 > 60 ° and the final profile torsion angle at point 4 may be between —44 °> to 33 > 16 °.
  • this torque is bounded by the ranges - 5 °>a ⁇ > 13 ° and— 5 °>a ⁇ > 15 °, for the profile at 31 and 33 , respectively.
  • the blades are designed to operate optimally at both low and high speeds with a speed ratio at the tip (TSR) equal to 6; that is, the rotor must rotate at RPM such that the tangential speed of the blade at the tip is 6 times the speed of the fluid it is facing.
  • TSR speed ratio at the tip
  • the following graph shows the Cp (power coefficient) of the blade for different speeds and different TSRs. Which showed that efficiencies (Cp) are achieved above 40% for TSR between 4 and 7. However, the highest efficiency is achieved for TSR between 5 and 6, range within which it is estimated that the system will operate, as shown in the following graph.
  • the maximum efficiency that a rotor can reach is 59.3%, which corresponds to the Betz limit which is 0.593.
  • This arrangement comprises a total of three blades (e) arranged radially at an angle of 120 ° from each other, said blades (e) are held in the arrangement indicated above by a support system (g);
  • This support system (g) is connected to an electric power generating system which has a rotation axis (h) (in the same location of the imaginary rotation axis Z 0 ) that allows the rotational movement of the blades (e ) in the direction illustrated by the vectors (m);
  • a mast (j) located vertically which raises the system to a certain height, to it is attached the electric power generating system which has a rotation axis (h) of which the support system (g) is attached which in turn holds the blades (e);
  • a cowl (i) attached to the mast (j) whose purpose is to cover the frontal area of the system to soften the flow of fluid (k
  • the operation of the present invention comprises the transformation of the linear kinetic energy possessed by the moving fluid (k), in a rotational movement (m) of the shovels (e) to these being impacted by air.
  • the rotation process begins when the air impacts the leading edge (f) and travels through the lower and upper surfaces that constitute the aerodynamic profiles PAy of the blade (e), until finally reaching the trailing edge (d).
  • the air that passes through the upper zone acquires a higher velocity than the one that passes through the lower zone, thus generating a pressure differential on these surfaces, which ultimately translates into a lifting force that has a component in the direction of rotation (m), thus generating a torque with respect to the axis of rotation (h).
  • the advantage offered by this invention over the state of the art is that the ability to transform said kinetic energy into rotational motion is directly related to the effective area of contact between the blade (e) and the air flow (k), therefore the invention presents an increase in said effective area compared to a conventional straight blade, this thanks to its curved shape allows a larger contact surface to have a greater effective diameter and therefore a greater amount of energy can be generated .
  • the curvature of the blade (e) allows the kinetic energy that has the flow (k) of the moving fluid to be harnessed in greater proportion than that obtained in a conventional blade of mainly straight geometry. This is because the air flow that impacts the blade does not do so perpendicularly as usual in conventional designs, where most of the energy of the flow is transformed into drag forces associated with the impact pressure, because on the contrary, the flow that impacts the blade (e) makes it at an angle with respect to the blade (e) that allows the flow to acquire velocity components that are utilized in the transformation of the kinetic energy of the flow in the rotational movement (m).

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Description

DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA PALA PARA ROTOR
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a la generación de energías renovables, particularmente en la que aprovecha de la energía cinética de los fluidos. La presente invención se refiere más específicamente al diseño no convencional de la geometría de la pala de un rotor de una máquina que genera energía a partir de la transformación de la energía cinética que posee un fluido en movimiento.
2. Descripción del estado del arte
Actualmente, la industria eólica se encuentra en busca de tecnologías que permitan volver más eficiente el proceso de generación energética y por tanto encaminan sus esfuerzos a investigar en áreas como el desarrollo de aspas con geometrías más eficientes que permitan captar mejor la energía del viento. Lo anterior innovando en temas específicos como mejoras aerodinámicas, uso de materiales novedosos, sistemas de control y metodologías de fabricación de palas, siendo el primero el nicho de trabajo de la presente invención.
A la fecha existen desarrollos y documentos que pueden ser incluidos en la categoría en la que se encuentra la presente invención, debido a que su resultado son geometrías no convencionales de palas, sin embargo su mejora operativa radica en características completamente diferentes. El documento US2007/0013194A1 describe una geometría no convencional cuyo propósito geométrico es reducir el ruido aerodinámico generado por el rotor durante su operación y el propósito de la curvatura en la invención está orientado a reducir el diámetro del rotor ya que propicia una captación más efectiva de la energía cinética del fluido al poseer una mayor área aerodinámica efectiva. El documento US2011/0070094 Al describe una invención cuya geometría posee una curvatura que bajo principios diferentes a fuerzas aerodinámicas, tales como de reducción de área y acción reacción de la Tercera Ley de Newton, propician el movimiento rotacional de las aspas, además su sección transversal es generada por la lámina de espesor constante que canaliza el fluido dentro de la superficie cóncava, a diferencia de la sección transversal de la presente invención que utiliza un perfil aerodinámico variable en función de aprovechar las fuerzas fluido-dinámicas que se generan una vez el fluido pasa a través de la zona inferior y superior del perfil. Otros documentos asociados a la categoría de aspas no convencionales son CN101846042A y JP2010261431A, los cuales no tienen similitud alguna con la operación o disposición de la presente invención, y cuya única relación con la presente invención radica en la implementación de formas no convencionales en las palas de los aerogeneradores .
La presente invención constituye una solución a unos de los problemas y necesidades de la industria eólica de baja escala, donde los equipos que se encuentran instalados actualmente a nivel mundial, ofrecen en su gran mayoría eficiencias en un rango del 20 al 30%, dicho valor se espera pueda ser incrementado con nuevas tecnologías y metodologías de diseño. La presente invención está dirigida precisamente a incrementar dicha eficiencia, alcanzando valores entre el 45 y el 55% de eficiencia.
3. Breve Descripción de las Figuras
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una modalidad preferida de la pala y la dirección en la que el fluido se desplaza de la presente invención.
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una vista tridimensional general de la pala y su eje neutral principal incluido en el plano P.
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una vista del detalle de la primera sección, con su respectivo radio de curvatura.
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una vista bidimensional del perfil aerodinámico PAy.
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una vista bidimensional de la primera sección de la pala a lo largo del plano XQZQ .
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una vista tridimensional de detalle de la sección trasversal de la pala.
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, ilustra una vista tridimensional de la segunda sección de la pala.
La Figura 8 ilustra una vista tridimensional de la tercera sección de la pala.
La Figura 9 ilustra una vista tridimensional de la configuración de una modalidad preferida para el sistema de aerogeneración.
La Figura 10 ilustra una vista del flujo de fluido a través del sistema de aerogeneración. La Figura 11 ilustra el sentido de rotación del sistema de aerogeneración.
4. Breve descripción de la invención
La presente invención divulga una pala para la generación de energía eléctrica a partir de la transformación de la energía cinética de un fluido, en un movimiento rotacional. Dicho movimiento rotatorio se traslada a un eje horizontal central que puede estar acoplado a un generador eléctrico. Este eje horizontal de rotación se encuentra definido por un eje cartesiano Z0 que junto con los ejes cartesianos X0 Y0 , conforman un marco de referencia ortogonal global de planos de referencia.
La pala (e) tiene una forma geométrica particular que se extiende a lo largo del eje Z0, alejándose del mismo a medida que se va desarrollando, y se encuentra limitada en sentido longitudinal por una Raíz (a) y una Punta (b), cuya conexión se obtiene mediante una serie de curvaturas constantes seccionales denominadas Ejes Neutrales Seccionales Erii que generan en su colectividad una curvatura principal continua o discontinua denominada Eje Neutral Principal En. En sentido transversal se encuentra limitada por un Borde de Ataque (f) y un Borde de Fuga (d), que al unirlos mediante una o dos curvas continuas que conectan varios puntos, entre ellos el punto correspondiente al borde de ataque y el del borde de fuga, conforman un Perfil Aerodinámico PA^ de espesor variable o constante. En el volumen que se define por el cercamiento de estas cinco fronteras (Raíz, Punta, Borde de Ataque, Borde de Fuga, Perfil Aerodinámico) se genera la geometría de la pala.
La característica geométrica principal de la pala es la curvatura, que se define mediante los Ejes Neutrales Seccionales Erii , que como se mencionó anteriormente, al ser unidos conforman el Eje Neutral Principal En cuya longitud de curvatura está dada por L, la cual puede estar en un rango de 0.01 m≥ L≥ 30 m. Para la creación de esta curvatura se realiza la unión de una serie de puntos P ¿ , estos puntos son construidos sobre la curva inferior que describe el perfil aerodinámico PA^ , a una distancia de c/4 a partir del punto del borde de ataque, siendo c la longitud da la cuerda del perfil aerodinámico.
Este Eje Neutral Principal En se encuentra incluido en un plano P, el cual es coincidente con el plano XQZQ . El punto de inicio del Eje Neutral Principal En, la raíz, se encuentra ubicado por un marco de referencia auxiliar Χ^Υ^Ζ , comienza en la intersección del plano X Y que es paralelo al plano X0F0 y perpendicular al eje de rotación Z0 ; con el plano Yí∑í que es paralelo al plano YQZQ ; y con el plano XÍZÍ que es coincidente con el plano XoZ0 y por tanto con el plano P , si se tiene la modalidad preferida. Este punto de intersección 1 entre los planos auxiliares, es donde comienza el Eje Neutral Principal En y se identifica también como el punto de inicio de la primera de tres secciones de división de En.
La primera sección de división L1 corresponde, en la modalidad preferida de la pala, al 20% de L, sin embargo puede encontrarse entre 0. 15 * L≥ L1≥ 0. 25 * L. Esta sección se encuentra limitada por los puntos 1 y 2 , donde este último se ubicada al final de la longitud de L1 sobre el Eje Neutral Seccional Εη^. La segunda sección de división está definida por L2 , esta sección inicia en el punto 2 y finaliza en el punto 3 ubicado sobre el Eje Neutral Seccional En2 , de acuerdo a la modalidad preferida, esta sección tiene una longitud correspondiente al 40% de L, no obstante esta puede variar entre 0. 3 * L≥ L2≥ 0. 5 * L. La última sección de división de la pala corresponde a L3 y se encuentra acotada por los puntos 3 y 4; su longitud, enmarcada en la modalidad preferida es de 40% de L y al igual que las otras secciones tiene un rango de 0. 3 * L≥ L3 > 0. 5 * L. Los diferentes arcos que definen cada una de las secciones, son tangentes en cada uno de los puntos de conexión, es decir, la sección L1 es tangente a la sección L2 en el punto 2 y la sección L2 es tangente a L3 en su correspondiente punto de unión 3.
La geometría de la pala sufre una serie de variaciones es su sección transversal, las cuales se desarrollan a lo largo del Eje Neutral Principal En desde el punto 1 hasta el punto 4 y que al igual que la curvatura L, estas variaciones se analizan en las mismas tres secciones L1L2L3. La primera variación que se evidencia es en la longitud de la sección transversal, reflejada en la disminución o crecimiento de la longitud de la cuerda c del perfil aerodinámico PAy . La longitud de esta sección transversal se encuentra acotada por los rangos 0,05 * L≥ cu≥ 0,3 * L y 0,01 * L ≥ c33 > 0,3 * L , para los perfiles aerodinámicos ubicados en la raíz y la punta de la pala, respectivamente.
La segunda variación geométrica corresponde a una torsión que varía a lo largo del Eje Neutral Principal En desde el punto 1 hasta el punto 4 y que al igual que la curvatura L, estas variaciones se analizan en las mismas tres secciones L1L2í-3- Esta torsión se mide en función del ángulo oty que se forma entre la cuerda c de cada perfil PAy y un eje perpendicular u al plano P el cual intersecta el Eje Neutral Principal En en el punto Pc¿,-. Este ángulo puede ser tanto positivo como negativo, teniendo como punto de inflexión el ángulo 0o, el cual se forma cuando el eje u es paralelo a la cuerda c. Un ángulo positivo se tiene cuando éste crece en dirección horaria y negativo en sentido anti-horario.
En la raíz de la pala, el ángulo de torsión puede estar entre los siguientes valores,—38° > a¿ > 148° y el ángulo de torsión de la punta puede estar entre—46° > a¿ > 40°. Sin embargo, en la modalidad preferida esta torsión se encuentra enmarcada en un rango de —31° > a¿ > 30° y—44° > a¿ > 16° para la raíz y la punta, respectivamente.
Para una configuración de mayor rendimiento esta torsión se encuentra acotada por los rangos 5° > aj > 25° y— 5° > aj > 15°, para la raíz y la punta respectivamente.
5. Descripción detallada de la invención
La presente invención divulga una pala para la generación de energía eléctrica a partir de la transformación de la energía cinética de un fluido, en un movimiento rotacional, en donde la capacidad de transformación de la energía cinética en movimiento rotacional va directamente relacionada con el área efectiva de contacto entre la pala y el flujo de aire. La presente invención proporciona un incremento de dicha área efectiva en comparación a una pala recta convencional, esto gracias a que su forma curvada permite que en un mismo diámetro efectivo se tenga una mayor superficie de contacto y por tanto se pueda generar mayor cantidad de energía.
Adicionalmente, la curvatura que tiene la pala del presente invento permite que la energía cinética que posee el flujo del fluido en movimiento, sea aprovechada en mayor proporción que la que se obtiene en una pala convencional de geometría principalmente recta. Lo anterior debido a que el flujo de aire que impacta la pala no lo hace de forma perpendicular como usualmente sucede en los diseños convencionales, donde la mayor parte de la energía del flujo se transforma en fuerzas de arrastre asociadas a la presión del impacto, por el contrario, el flujo que impacta la pala lo hace en un ángulo con respecto a la pala que permite que el flujo adquiera componentes de velocidad que son aprovechadas en la trasformación de la energía cinética del flujo en el movimiento rotacional.
La presente invención divulga una pala para la generación de energía eléctrica a partir de la transformación de la energía cinética de un fluido, en un movimiento rotacional. Dicho movimiento rotatorio se traslada a un eje horizontal central que puede estar acoplado a un generador eléctrico. Este eje horizontal de rotación se encuentra definido por un eje cartesiano Z0 que junto con los ejes cartesianos X0 Y0, conforman un marco de referencia ortogonal global de planos de referencia.
Haciendo referencia a la Figura 1 y Figura 2, se muestra una modalidad de la pala (e) del presente invento que tiene una forma geométrica particular que se extiende a lo largo del eje Z0, alejándose del mismo a medida que se va desarrollando, y se encuentra limitada en sentido longitudinal por una Raíz (a) y una Punta (b), cuya conexión se obtiene mediante una serie de curvaturas constantes seccionales denominadas Ejes Neutrales Seccionales Erii que generan en su colectividad una curvatura principal continua o discontinua denominada Eje Neutral Principal En.
Debido a que la curvatura del Eje Neutral Principal En puede ser continua o discontinua, es necesario, para ésta última, dividir su longitud en diferentes secciones que permitan caracterizar la invención en curvaturas continuas o Ejes Neutrales Seccionales ürij. El número de secciones es de uno (1) para Ejes Neutrales Principales En continuos y de al menos dos (2) para Ejes Neutrales Principales En discontinuos, donde L2 constituye el 50% de L y L3 el restante 50%. Sin embargo para la modalidad preferida, la pala es dividida en tres (3) secciones representadas por los Ejes Neutrales Seccionales Enít En2, En3 que se encuentran entre los puntos l - 2 ; 2 - 3 ; y 3 - 4.
La primera sección En^ inicia en el punto 1, posee una longitud preferente de L1 = 0, 2 * L y finaliza en el punto 2. Esta sección corresponde a la zona de la raíz, de la cual se hace la sujeción de la pala con el eje de rotación horizontal. En^ es una curva constante que se obtiene a partir de la interpolación polinómica de varios puntos. Su radio de curvatura constante Rp1 posee un foco que se ubica en el plano P a una distancia preferente de Rp1 = 4 * L1 , este radio de curvatura puede estar enmarcado en el rango 1, 3 * L1≥ Rp > 57 * Lj . En el punto 1 y perpendicular a la curva En^ se encuentra ubicado el plano rango de 0o > 40° y su rang
Figure imgf000008_0001
En la Figura 2, se puede ver la sección Εη^ que se encuentra conformada por al menos tres (3) secciones transversales equidistantes, cuya forma geométrica es un perfil aerodinámico PAij, denominados PAU, PA12 y PA13. Cada uno de estos perfiles se encuentra ubicado un plano perpendicular a En^, el primer plano A corresponde al perfil PAU y esta situado en el punto 1 ; el segundo plano B pertenece al perfil PA12 y su ubicación es en el eje neutral seccional Ení en un punto intermedio entre 1 y 2 ; en el tercer plano D se encuentra el perfil aerodinámico PA13 y esta acomodado en el punto 2.
Haciendo referencia a la Figura 3, que muestra una vista del detalle de la primera sección, con su respectivo radio de curvatura, se puede ver que en la curva inferior de los perfiles aerodinámicos PAíít PA12 y PA13 , llamada intradós, se ubica el punto Pc11( Pc12 y Pc13, respectivamente. Estos puntos están a una distancia de c/4 a partir del borde de ataque y con su unión mediante un arco que los contenga, se obtiene el Eje Neutral Seccional En .
Si se genera una extrusión de material que siga la trayectoria descrita por la curva En^ y ésta conserva en su barrido la forma de las múltiples secciones transversales (perfiles aerodinámicos), se genera el sólido con la forma geométrica que posee la invención en la zona de la raíz.
En su configuración de mayor rendimiento esta primera sección advierte un cambio progresivo en su longitud transversal, esto se debe a que la cuerda c sufre un aumento en su dimensión a medida que se aleja del inicio de la curva En^ en el punto 1, donde la cuerda tiene un valor de 0,082 * L, 0,092 * L ,0,099 * L, para los perfiles PAÍ PAí2 y PAí3 , respectivamente.
No obstante, esta sección puede poseer cambios progresivos, regresivos o su combinación en la longitud de la cuerda, siempre y cuando se encuentren dentro los siguientes rangos: 0,05 * L≥ cíí≥ 0,3 * L; 0,046 * L≥ cí2≥ 0,3 * L; 0,042 * L > c13 > 0,3 * L.
Haciendo referencia a la Figura 4, se muestra una vista bidimensional del perfil aerodinámico PAy, en donde cada perfil aerodinámico PAy que conforma la sección Εη^ posee un ángulo de inclinación ay («n«i2«i3) que se forma entre la cuerda c de cada perfil PAij y el eje u. El primer perfil aerodinámico de esta sección puede estar entre los siguientes valores,—30° > au > 120° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 2 puede estar entre—34° > a13 > 105°. Sin embargo, en la modalidad preferida esta torsión se encuentra acotada por los rangos 5o > a¿ > 25° y Io > a¿ > 19°, para el perfil αιι y ai3» respectivamente (ver también Figura 5).
En la Figura 7, se puede ver que la segunda sección En2 inicia en el punto 2, posee una longitud preferente de L2 = 0, 4 * L y finaliza en el punto 3. Esta sección corresponde a la zona interna, en la cual se concentra el mayor porcentaje de fuerzas aerodinámicas que genera la pala en su totalidad. En2 es una curva constante que se obtiene a partir de la interpolación polinómica de varios puntos. Su radio de curvatura constante Rp2 posee un foco que se ubica en el plano P a una distancia preferente de Rp2 = 2 * L2, este radio de curvatura puede estar enmarcado en el rango 1 * L2≥ Rp2≥ 5 * L2.
La sección En2 se encuentra conformada por al menos tres (3) secciones transversales equidistantes, cuya forma geométrica es un perfil aerodinámico PA^ , denominados PA21, PA22 y PA23 . Cada uno de estos perfiles se encuentra ubicado un plano perpendicular a En2 , el primer plano E corresponde al perfil PA21 y esta situado en el punto 2 ; el segundo plano F pertenece al perfil PA22 y su ubicación es en el eje neutral seccional En2 en un punto intermedio entre 2 y 3 ; en el tercer plano G se encuentra el perfil aerodinámico PA23 y esta acomodado en el punto 3.
En la curva inferior de los perfiles aerodinámicos PA21, PA22 y PA23, llamada intradós, se ubica el punto Pc21, Pc22 y Pc23, respectivamente. Estos puntos están a una distancia de c/4 a partir del borde de ataque y con su unión mediante un arco que los contenga, se obtiene el Eje Neutral Seccional En2.
Si se continúa la extrusión de material que se realizó en la primera sección (raíz); que siga la trayectoria descrita por la curva En2 y que conserve en su barrido la forma de las múltiples secciones transversales PA21, PA22 y PA23 , se genera el sólido con la forma geométrica que posee la invención en la zona interna de la pala.
Esta segunda sección a diferencia de la primera presenta dos cambios seccionales en su configuración de mayor rendimiento, el primero es un cambio progresivo en la longitud de la cuerda c desde el punto 2 hasta las cercanías del punto central de la curvatura En2. Este punto, ubicado preferiblemente en el plano F es considerado como el punto de inflexión de la cuerda de los perfiles aerodinámicos de la sección, pues a partir de él, la cuerda c de las secciones transversales describe un comportamiento regresivo y su dimensión empieza a disminuir hasta el punto 3. De acuerdo a esta modalidad la cuerda tiene un valor de 0,099 * L, 0,104 * L ,0,094 * L, para los perfiles PA21, PA22 y PA23, respectivamente.
No obstante, esta sección puede poseer cambios progresivos, regresivos o su combinación en la longitud de la cuerda, siempre y cuando se encuentren dentro los siguientes rangos: 0,042 * L≥ c21≥ 0,3 * L; 0,034 * L≥ c22≥ 0,3 * L; 0,026 * L > c23 > 0,3 * L.
Cada perfil aerodinámico PAy que conforma la sección En2 posee un ángulo de inclinación a¿ («21^22 ^23) 1ue se forma entre la cuerda c de cada perfil PA^ y el eje u. El primer perfil aerodinámico de esta sección puede estar entre los siguientes valores, —34° > α2ί≥ 105° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 3 puede estar entre—41° > 23≥ 60°. Sin embargo, en su configuración de mayor rendimiento esta torsión se encuentra acotada por los rangos IO > a¿ > 19° y— 5O > a¿ > 13°, para el perfil 21 y «23 » respectivamente.
La tercera sección £n3 inicia en el punto 3, posee una longitud preferente de L3 = 0, 4 * L y finaliza en el punto 4. Esta sección corresponde a la zona externa, y es donde se encuentran los mayores valores en las componentes de velocidad rotacional, y por tanto su inercia debe ser la más baja a fin de disminuir esfuerzos, esto se alcanza mediante la disminución del tamaño de los perfiles aerodinámicos que conforman la sección. £n3 es una curva constante que se obtiene a partir de la interpolación polinómica de varios puntos. Su radio de curvatura constante Rp3 posee un foco que se ubica en el plano P a una distancia preferente de Rp3 = 5 * L3, este radio de curvatura puede estar enmarcado en el rango 1 * L3 > Rp3 > 12 * L3.
Haciendo referencia a la Figura 8, se muestra la sección £n3 que se encuentra conformada por al menos tres (3) secciones transversales equidistantes, cuya forma geométrica es un perfil aerodinámico PAy, denominados PA31, PA32 y PA33. Cada uno de estos perfiles se encuentra ubicado un plano perpendicular a £n3, el primer plano H corresponde al perfil PA31 y esta situado en el punto 3 ; el segundo plano / pertenece al perfil PA32 y su ubicación es en el eje neutral seccional £n3 en un punto intermedio entre 3 y 4; en el tercer plano / se encuentra el perfil aerodinámico PJ433 y esta acomodado en el punto 4.
En la curva inferior de los perfiles aerodinámicos PA31, PA32 y PA33, llamada intradós, se ubica el punto Pc31, Pc32 y Pc33, respectivamente. Estos puntos están a una distancia de c/4 a partir del borde de ataque y con su unión mediante un arco que los contenga, se obtiene el Eje Neutral Seccional £n3.
Continuando la extrusión de material de la segunda sección, siguiendo la trayectoria descrita por la curva £n3 y conservando en su barrido la forma de las múltiples secciones transversales (perfiles aerodinámicos), se genera el sólido con la forma geométrica que posee la invención en la zona externa.
Esta tercera y preferiblemente última sección, desarrolla un cambio regresivo en su longitud transversal para la modalidad de mayor rendimiento, esto se debe a que la cuerda c sufre una disminución en su dimensión a medida que se aleja del inicio de la curva £n3 en el punto 3. En función de esta modalidad la cuerda tiene un valor de 0,094 * L, 0,080 * L ,0,070 * L, para los perfiles PA31, PA32 y PA33, respectivamente. No obstante, esta última sección puede poseer cambios progresivos, regresivos o su combinación en la longitud de la cuerda, siempre y cuando se encuentren dentro los siguientes rangos: 0,026 * L≥ c31 > 0,3 * L ; 0,018 * L≥ c32 > 0,3 * L ; 0,01 * L≥ c33 > 0,3 * L.
Cada perfil aerodinámico PAy que conforma la sección £n3 posee un ángulo de inclinación a¿ (α31α32 «33) que se forma entre la cuerda c de cada perfil PA^ y el eje u. El primer perfil aerodinámico de esta sección puede estar entre los siguientes valores, —41° > a31 > 60° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 4 puede estar entre —44° > a33 > 16°. Sin embargo, en su configuración de mayor rendimiento esta torsión se encuentra acotada por los rangos — 5° > a¿ > 13° y— 5° > a¿ > 15° , para el perfil a31 y a33 , respectivamente.
La combinación de rangos de los radios de curvatura de las secciones Rp , í?p2 y ^P3 debe de ser de tal forma que cuando la pala posea su mayor curvatura, una línea tangente en el punto 4 debe de ser como máximo, perpendicular al eje de rotación Z0.
Ejemplo de Realización
Para realizar la evaluación fluido-dinámica de la palas se realizaron varias pruebas por medio de simulación de computacional. A continuación se muestra información que evidencia el desempeño de la invención:
Condiciones de operación: A nivel del mar.
Método numérico usado: Volúmenes Finitos.
Programa de simulación utilizado: Fluent (ANSYS).
Las palas se diseñaron para que operaren de manera óptima tanto a bajas como a altas velocidades con una relación de velocidad en la punta (TSR) igual a 6; es decir, el rotor debe girar a unas RPM tales que la velocidad tangencial de la pala en la punta sea 6 veces la velocidad del fluido al que este se está enfrentando.
La siguiente gráfica muestra el Cp (coeficiente de potencia) de la pala para diferentes velocidades y diferentes TSR. Lo cual demostró que se logran eficiencias (Cp) por encima del 40% para TSR entre 4 y 7. Sin embargo, la mayor eficiencia se logra para TSR entre 5 y 6, rango dentro del cual se calcula que el sistema va a operar, tal y como se muestra en la siguiente gráfica. Se recuerda la máxima eficiencia que un rotor puede alcanzar es de 59.3%, el cual corresponde con el límite de Betz que es 0.593.
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TSR
El desempeño demostrado anteriormente corresponde a una de las posibles configuraciones en las que puede ser constituida la invención, puntualmente en la modalidad preferida para un sistema de aerogeneración, como se muestra en la Figura 9. Este arreglo comprende un total de tres palas (e) dispuestas radialmente a un ángulo de 120° una de la otra, dichas palas (e) se encuentran sujetadas en la disposición señalada anteriormente por un sistema de soporte (g); este sistema de soporte (g) se encuentra unido a un sistema generador de energía eléctrica el cual posee un eje de rotación (h) (en la misma ubicación del eje imaginario de rotación Z0) que permite el movimiento rotacional de las palas (e) en la dirección que ilustran los vectores (m); un mástil (j) ubicado de forma vertical el cual iza el sistema hasta una altura determinada, a éste se sujeta el sistema generador de energía eléctrica el cual posee un eje de rotación (h) del que está unido el sistema de soporte (g) que a su vez sujeta las palas (e); una carena (i) sujetada al mástil (j) cuyo propósito es cubrir la zona frontal del sistema para suavizar el flujo de fluido (k) que impacta las palas (e), en esta configuración de modalidad preferida este fluido (k) corresponde a aire.
Haciendo referencia a las Figuras 10 y 11, se muestra la operación de la presente invención bajo la configuración planteada anteriormente, comprende la trasformación de la energía cinética lineal que posee el fluido (k) en movimiento, en un movimiento rotacional (m) de las palas (e) al éstas ser impactadas por el aire. El proceso de rotación inicia cuando el aire impacta el borde de ataque (f) y se desplaza por las superficies inferior y superior que constituyen los perfiles aerodinámicos PAy de la pala (e), hasta finalmente llegar al borde de fuga (d). El aire que pasa por la zona superior adquiere una mayor velocidad que la que adquiere el que pasa por la zona inferior, generado así un diferencial de presiones sobre estas superficies, lo que finalmente se traduce en una fuerza de sustentación que posee una componente en la dirección de rotación (m), generando así un torque con respecto al eje de rotación (h).
La ventaja que ofrece esta invención frente al estado de la técnica, es que la capacidad de transformación de dicha energía cinética en movimiento rotacional va directamente relacionada con el área efectiva de contacto entre la pala (e) y el flujo de aire (k), por tanto la invención presenta un incremento de dicha área efectiva en comparación a una pala recta convencional, esto gracias a que su forma curvada permite que en un mismo diámetro efectivo se tenga una mayor superficie de contacto y por tanto se pueda generar mayor cantidad de energía.
Como se dijo anteriormente, la curvatura que tiene la pala (e) permite que la energía cinética que posee el flujo (k) del fluido en movimiento, sea aprovechada en mayor proporción que la que se obtiene en una pala convencional de geometría principalmente recta. Lo anterior debido a que el flujo de aire que impacta la pala no lo hace de forma perpendicular como usualmente sucede en los diseños convencionales, donde la mayor parte de la energía del flujo se transforma en fuerzas de arrastre asociadas a la presión del impacto, por el contrario, el flujo que impacta la pala (e) lo hace en un ángulo con respecto a la pala (e) que permite que el flujo adquiera componentes de velocidad que son aprovechadas en la trasformación de la energía cinética del flujo en el movimiento rotacional (m).
Se debe entender que la presente invención no se halla limitada a las modalidades descritas e ilustradas, pues como será evidente para una persona versada en el arte, existen variaciones y modificaciones posibles que no se apartan del espíritu de la invención, el cual solo se encuentra definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Una pala para la generación de energía eléctrica, a partir de la transformación de la energía cinética de un fluido en el movimiento rotacional de la pala, en donde dicho movimiento es transmitido a un eje de rotación acoplado a dicha pala ubicada en un marco de planos de referencia ortogonal [X0], [Yo] y [¿o, en donde la geometría de dicha pala está caracterizada porque,
se extiende a lo largo del eje [Z0], que se encuentra limitada en sentido longitudinal por la raíz (a) y la punta (b), que se conectan mediante una serie de ejes neutrales seccionales [£"n¿] que generan un eje neutral principal [En] continuo o discontinuo; se encuentra limitada en sentido transversal por el borde de ataque (f) y el borde de fuga (d) que al unirlos mediante curvas continuas conforman un perfil aerodinámico [PAij] ; la curvatura de dicha pala (e) tiene longitud L y se define por medio de los ejes neutrales seccionales [£"n¿], cuya unión conforman el eje neutral principal [En] , dicha curvatura se forma mediante la unión de una serie de puntos [ Pc¿J ], que son construidos sobre la curva inferior que describe el perfil aerodinámico [ΡΑ^], a una distancia c/n a partir del punto del borde de ataque (f), siendo c la longitud da la cuerda del perfil aerodinámico [PA^] ; el Eje Neutral Principal [En] se encuentra incluido en un plano [P], que es coincidente con el plano [X0Z0], en donde el punto de inicio (1) de dicho Eje Neutral Principal [En], es en la raíz (a), en la intersección del plano [ χΚι] con el plano [F JZJ] ; la pala (e) tiene al menos una sección de división de [En] que tiene una longitud [LJ ; y donde la geometría de la pala tiene una sección transversal variable a lo largo del Eje Neutral Principal [En].
2. La pala (e) según la reivindicación 1, caracterizada porque la pala (e) tiene una pluralidad de secciones de división en [En].
3. La pala (e) según la reivindicación 2, caracterizada porque la pala (e) tiene tres secciones de división en donde la primera sección de división En^ tiene una longitud L1 que está acotada por el rango 0. 15 * L≥ L1≥ 0. 25 * L; la segunda sección de división En2 que se encuentra sobre el Eje Neutral Seccional En2 , y en donde dicha segunda sección tiene una longitud de L2 acotada por el rangoO. 3 * L≥ L2≥ 0. 5 * L; la tercera sección de división £n3 tiene una longitud L3 cuya longitud L3 está acotada por el rango 0. 3 * L≥ L3 > 0. 5 * L.
4. La pala (e) según la reivindicación 2, caracterizada porque la sección L1 es tangente a la sección L2 en el punto de intersección entre la sección 1 y 2, y la sección L2 es tangente a L3 en su correspondiente punto de unión.
5. La pala (e) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la geometría de la pala tiene una sección transversal variable a lo largo del Eje Neutral Principal [En].
6. La pala (e) según la reivindicación 5, caracterizada porque la primera variación es en la longitud de la sección transversal, reflejada en el cambio de la longitud de la cuerda c del perfil aerodinámico PAy .
7. La pala (e) según la reivindicación 1 , caracterizada porque la segunda variación geométrica corresponde a una torsión que varía a lo largo del Eje Neutral Principal En, dicha segunda variación geométrica se mide en función del ángulo a¿ formado entre la cuerda c de cada perfil PAy y un eje perpendicular u al plano P el cual intersecta el Eje Neutral Principal En en el punto Pc¿ , dicho ángulo está entre -38° > «j > 148 en la raíz (a) y entre -46°≥ t≥ 40° en la punta (b).
8. La pala (e) según la reivindicación 6, caracterizada porque la longitud de c está acotada por el rango 0,05 * L≥ j > 0,3 * L para el perfil aerodinámico ubicado en la raíz (a) y por el rango 0,01 * L≥ c33 > 0,3 * L para el perfil aerodinámico ubicado en la punta (b);
9. La pala (e) según la reivindicación 1 , en donde L está entre 0.01 m y 30 m.
10. La pala (e) según la reivindicación 1 a 4, caracterizada porque L1 en la primera sección de división de la pala (e) corresponde al 20% de L, L2 en la segunda sección de división de la pala (e) corresponde al 40% de L y L3 en la tercera sección de división de la pala (e) corresponde al 40% de L.
11. La pala (e) según la reivindicación 3, caracterizada porque dicho ángulo a¿ de la segunda variación geométrica se encuentra enmarcado en un rango de— 31° > a¿ > 30° en la raíz (a) y entre—44° > «¿ > 16° en la punta (b).
12. La pala (e) según la reivindicación 7, caracterizada porque dicho ángulo a¿ de la segunda variación geométrica se encuentra en un rango de 5o > a¿ > 25° en la raíz (a) y entre — 5o > a¿ > 15 en la punta (b).
13. La pala (e) según la reivindicación 2, en donde la primera sección de división En^ corresponde a la zona de raíz, de la cual se hace la sujeción de la pala con el eje de rotación horizontal y que es una extrusión que sigue la trayectoria descrita por la curva En^ y que conserva en su barrido la forma de sus perfiles aerodinámicos, dicha zona de raíz En^ es una curva constante con un radio de curvatura constante Rp1 que posee un foco que se ubica en el plano P a una distancia enmarcada por el rango 1, 3 * L1≥ Rpi≥ 57 * L^; en el punto 1 y perpendicular a la curva En1 se encuentra ubicado el plano A que posee un ángulo
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que está en un rango de 0o > XY°1≥ 90°;
dicha zona de raíz En^ se encuentra conformada por al menos tres (3) secciones transversales equidistantes PAU, PA12y PA13., cuya forma geométrica es un perfil aerodinámico PAy, y en donde cada uno de estos perfiles se encuentra ubicado un plano perpendicular a Εη^ , el primer plano A situado en el punto 1 corresponde al perfil ΡΑχχ, el segundo plano B ubicado en el eje neutral seccional Επ en un punto intermedio entre 1 y 2 pertenece al perfil PA12 ; y el tercer plano D ubicado en el punto 2 se encuentra el perfil aerodinámico PA13
el Eje Neutral Seccional En^ corresponde a la unión mediante un arco de los puntos Pc11( Pc12 y Pc13 que se encuentran a una distancia c/4 a partir del borde de ataque y ubicados en la curva inferior de los perfiles aerodinámicos PAU, PA12 y PA13 la longitud transversal de dicha zona de raíz posee cambios progresivos, regresivos o su combinación en la longitud de la cuerda, dentro los rangos entre 0,05 * L≥ j > 0,3 * L; 0,046 * L≥ cí2≥ 0,3 * L y 0,042 * L≥ cí3≥ 0,3 * L;
cada perfil aerodinámico PAy que conforma la sección Εη^ posee un ángulo de inclinación «¿ (« «i2«i3) que se forma entre la cuerda c de cada perfil PA^ y el eje u, en donde el primer perfil aerodinámico de dicha zona raíz está entre—30° > «ii > 120° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 2 está entre—34° > «13 > 105°.
14. La pala (e) según la reivindicación 13, en donde el radio de curvatura constante Rp1 se ubica a una distancia preferente de Rp1 = 4 * L^.
15. La pala (e) según la reiv
está en un rango de 0o >
16. La pala (e) según la reiv
está en un rango de 10°
Figure imgf000017_0002
17. La pala (e) según la reivindicación 13, en donde dicha longitud transversal de dicha zona de raíz presenta un cambio progresivo en su longitud transversal, en donde dicha cuerda c sufre un aumento en su dimensión a medida que se aleja del inicio de la curva En^ en el punto 1 , donde la cuerda tiene un valor de 0,082 * L , 0,092 * L ,0,099 * L, para los perfiles PAU, PA12 y PA13, respectivamente.
18. La pala (e) según la reivindicación 13, en donde el primer perfil aerodinámico de dicha zona raíz está entre 5° > a11 > 25° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto
2 está entre Io > í3≥ 19°.
19. La pala (e) según la reivindicación 3, en donde la segunda sección de división En2 corresponde a la zona interna que es una extrusión que sigue la trayectoria descrita por la curva En2 y que conserva en su barrido la forma de sus perfiles aerodinámicos PA21, PA22 y PA23, dicha zona interna En2 es una curva constante con un radio de curvatura constante Rp2 que posee un foco que se ubica en el plano P a una distancia enmarcada por el rango 1 * L2≥ Rp2≥ 5 * L2
dicha zona interna En2 se encuentra conformada por al menos tres (3) secciones transversales equidistantes PA21, PA22 y PA23., cuya forma geométrica es un perfil aerodinámico PAy, y en donde cada uno de estos perfiles se encuentra ubicado un plano perpendicular a En2 , el primer plano E situado en el punto 2 corresponde al perfil PA21 ; el segundo plano F ubicado en el eje neutral seccional En2 en un punto intermedio entre 2 y 3 pertenece al perfil PA22 ; y el tercer plano G ubicado en el punto
3 se encuentra el perfil aerodinámico PA23
el Eje Neutral Seccional En2 corresponde a la unión mediante un arco de los puntos Pc21, Pc22 y Pc23 que se encuentran a una distancia de c/4 a partir del borde de ataque y ubicados en la curva inferior de los perfiles aerodinámicos PA21, PA22 y PA23 ;
la longitud transversal de dicha zona interna posee cambios progresivos, regresivos o su combinación en la longitud de la cuerda, dentro los rangos entre 0,042 * L≥ c21≥ 0,3 * L, 0,034 * L≥ c22≥ 0,3 * L y 0,026 * L≥ c23≥ 0,3 * L;
cada perfil aerodinámico PAy que conforma la sección En2 posee un ángulo de inclinación oty («21^22 ^23) 1ue se forma entre la cuerda c de cada perfil PAy y el eje u, en donde el primer perfil aerodinámico de dicha zona interna está entre—34° > «21≥ 105° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 3 está entre— 41° > «23≥ 60°.
20. La pala (e) según la reivindicación 19, en donde Rp1 se ubica a una distancia preferente de Rp2 = 2 * L2.
21. La pala (e) según la reivindicación 13, en donde dicha longitud transversal de dicha zona interna presenta dos cambios seccionales; el primero es un cambio progresivo en la longitud de la cuerda c desde el punto 2 hasta un punto de inflexión en la mitad de la curvatura En2, dicho punto de inflexión está ubicado en el plano F; y el segundo cambio seccional es un cambio regresivo de la cuerda c de las secciones transversales, la cual disminuye hasta el punto 3 , dicha cuerda c tiene un valor de 0,099 * L , 0,104 * L ,0,094 * L, para los perfiles PA21, PA22 y PA23, respectivamente.
22. La pala (e) según la reivindicación 18, en donde el primer perfil aerodinámico de dicha zona está entre l0 > a2i≥ 19° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 3 está entre -5o > a23≥ 13°.
23. La pala (e) según la reivindicación 3, en donde la tercera sección de división En3 corresponde a la zona externa que es una extrusión que sigue la trayectoria descrita por la curva En3 y que conserva en su barrido la forma de sus perfiles aerodinámicos PA31, PA32 y PA33, dicha zona externa En3 es una curva constante con un radio de curvatura constante Rp3 que posee un foco que se ubica en el plano P a una distancia enmarcada por el rango 1 * L3 > Rp3≥ 12 * L3;
dicha zona externa En3 se encuentra conformada por al menos tres (3) secciones transversales equidistantes PA31, PA32 y PA33, cuya forma geométrica es un perfil aerodinámico PAy, y en donde cada uno de estos perfiles se encuentra ubicado un plano perpendicular a En3 , el primer plano H situado en el punto 3 corresponde al perfil PA31 ; el segundo plano / ubicado en el eje neutral seccional En3 en un punto intermedio entre 3 y 4 pertenece al perfil PA32 y el tercer plano / ubicado en el punto 4 se encuentra el perfil aerodinámico PA33
el Eje Neutral Seccional En3 corresponde a la unión mediante un arco de los puntos Pc31, Pc32 y Pc33 , que se encuentran a una distancia de c/4 a partir del borde de ataque y ubicados en la curva inferior de los perfiles aerodinámicos PA31, PA32 y PA33;
la longitud transversal de dicha zona interna posee cambios progresivos, regresivos o su combinación en la longitud de la cuerda, dentro los rangos entre 0,026 * L≥ c31≥ 0,3 * L, 0,018 * L≥c32≥ 0,3 * L, y 0,01 * L≥c33≥ 0,3 * L.;
cada perfil aerodinámico PA^ que conforma la sección En3 posee un ángulo de inclinación a¿ (α31α32«33) que se forma entre la cuerda c de cada perfil PA^ y el eje u, en donde el primer perfil aerodinámico de dicha zona externa está entre— 41° > tf3i > 60° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 4 está entre—44° > «33 > 16°.
24. La pala (e) según la reivindicación 23, en donde Rp1 se ubica a una distancia preferente de Rp3 = 5 * L3.
25. La pala (e) según la reivindicación 13, en donde dicha longitud transversal de dicha zona interna presenta un cambio regresivo en la longitud de la cuerda c a medida que se aleja del inicio de la curva En3 en el punto 3 , dicha cuerda c tiene un valor de 0,094 * L , 0,080 * L , 0,070 * L , para los perfiles PA3Í, PA32 y PA33 , respectivamente.
26. La pala (e) según la reivindicación 19, en donde el primer perfil aerodinámico de dicha zona está entre— 5° > a31 > 13° y el ángulo de torsión de perfil de final en el punto 4 está entre -5o > a33≥ 15°.
27. La pala (e) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una línea tangente en el punto 4 es como máximo, perpendicular al eje de rotación Z0 cuando la pala posea su mayor curvatura y de acuerdo con la combinación de rangos de los radios de curvatura de las secciones Rp , Rp2 y Rp3-
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