BR102013025213A2 - Pá de rotor de turbina eólica, turbina eólica com inúmeras pás de rotor e disposição de correção de fluxo de ar - Google Patents

Abstract

PÁ DE ROTOR DE TURBINA EOLICA, TURBINA EÓLICA COM INÚMERAS PÁS DE ROTOR E DISPOSIÇÃO DE CORREÇÃO DE FLUXO DE AR A presente invenção refere-se a uma pá de rotor de turbina eólica que compreende uma porção de raiz (10) e uma porção de aerofólio (19), em que pá (1) compreende uma zona espessa (TZ) na qual a pá (1) tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45, em que a zona espessa (TZ) se estende para fora a partir de uma extremidade de cubo interno da pá (1) para a porção de aerofólio (19) da pá (1); e uma disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) disposta em um lado de pressão (11) da pá (1) sobre pelo menos uma porção da zona espessa (TZ), em que a disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) compreende um spoiíer (3) compreendido para aumentar a elevação da pá e um gerador de vértice (2) disposto entre uma borda anterior (12) e a borda posterior (13) e compreendido para manter uma fluxo de ar conectado (42) entre o gerador de vértice (2) e o spoiler (3). A invenção também descreve uma turbina eólica com pelo menos uma tal pá de rotor (1). A invenção também descreve uma disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) para corrigir o fluxo de ar sobre o lado de pressão (11) de uma pá de rotor de turbina eõlica (1) para uma região de pá (1) que tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PÁ DE ROTOR DE TURBINA EÓLICA, TURBINA EÓLICA COM INÚMERAS PÁS DE ROTOR E DISPOSIÇÃO DE CORREÇÃO DE FLUXO DE AR". A invenção descreve uma pá de rotor de turbina eólica, uma turbina eólica e uma disposição de correção de fluxo de ar.

Em uma turbina eólica convencional, um número de pás, geralmente três, é montado em um cubo, que pode ser direcionado para o vento. Cada pá é normalmente conectada ao cubo por meios de um sistema de passo de modo que o ângulo de passo da pá ou “ângulo de ataque” possa ser ajustado conforme necessário, por exemplo, para permitir que a pá extraia mais energia do vento ou lançar as pás na direção das penas durante as altas condições eólicas. Durante a operação, as pás convertem energia cinética a partir do vento em energia giratória de um rotor com a finalidade de acionar um gerador. Turbinas eólicas com alta potência de saída na ordem de vários Megawatts estão sendo desenvolvidas. Para tais grandes turbinas eólicas é importante projetar as pás de modo que o quanto mais energia possível possa ser extraída do vento. Isso podería ser alcançado ao estender o comprimento da pá para aumentar a área de superfície. No entanto, o máximo de comprimento de uma pá é tipicamente forçado pela velocidade da ponta de pá, para evitar níveis de barulho indesejáveis. Outro problema associado com pás longas é que as extremidades externas mais finas podem inclinar e colidirem com a torre de turbina eólica. Por esse motivo, o cubo (e nacela) pode ser inclinado para cima a partir da horizontal por alguns graus para minimizar o risco de colisão.

Em uma abordagem ao problema de como maximizar a eficiência da pá, o comprimento de corda da pá pode ser aumentado em direção à raiz, de modo que o ponto maior da pá é próximo ao. No entanto, tal projeto de pá resulta em cargas maiores na torre, maiores custos de fabricação e dificuldades em transportar a pá.

Em outra abordagem que se concentra no aspecto de colisão de pá, uma pá mais longa é feita mais rígida ao usar fibra de carbono em vez de apenas a fibra de vidro comum. No entanto, tais pás são mais caras do que as pás de fibra de vidro e podem aumentar consideravelmente o custo total de uma turbina eólica.

Em outra abordagem, o uso de um spoiler em combinação com um projeto de pá mais delgado e, portanto, “mais espesso” é considerado próximo à porção da raiz, isto é, a pá tem um coeficiente de espessura relativamente alto de cerca de 0,5 em uma região de transição entre a porção de raiz redonda e a porção de aerofólio mais plana. O coeficiente de espessura em uma seção de um aerofólio é definido como a relação da perpendicular mais longa para o comprimento da corda da mesma seção. Nesse projeto de pá para porção de raiz circular com um diâmetro de cerca de 2 m, os comprimentos de corda na região de transição são mantidos relativamente curtos a fim de reduzir cargas de pressão na pá, em suas regiões inferiores. O spoiler atua para aprimorar o desempenho da pá na região de transição relativamente espessa. No entanto, o alto coeficiente de espessura na região de transição pode resultar no fluxo de ar desprender do lado de pressão da pá conforme a pá gira. Como um resultado, o coeficiente de elevação da pá é reduzido, a eficácia do spoiler é diminuída e a eficiência da pá também é reduzida.

Portanto, é um objeto da invenção fornecer um projeto de pá a-primorado que supera os problemas mencionados acima.

Esse objeto é alcançado pela pá de rotor de turbina eólica da reivindicação 1; pela turbina eólica de acordo com a reivindicação 13; e pela disposição de correção de fluxo de ar de acordo com a reivindicação 14.

De acordo com a invenção, uma pá de rotor de turbina eólica, que compreende uma porção de raiz e uma porção de aerofólio, compreende uma zona espessa na qual a pá tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45, em que a zona espessa se estende para fora a partir de uma extremidade de cubo interno da pá para a porção de aerofólio da pá; e uma disposição de correção de fluxo de ar disposta em um lado de pressão da pá sobre pelo menos uma porção da zona espessa, em que a disposição de correção de fluxo de ar compreende um spoiler disposto ao longo da borda posterior da pá e compreendido para aumentar a elevação da pá; e um ge- rador de vórtice disposto entre a borda anterior e a borda posterior e compreendido para manter um fluxo de ar conectado entre o gerador de vórtice e o spoíler, isto é, para garantir que o fluxo de ar permaneça conectado à superfície do lado de pressão.

Uma vantagem da pá de turbina eólica, de acordo com a invenção, é que as propriedades aerodinâmicas da porção de pá espessa são consideravelmente aprimoradas, de modo que um projeto de pá espessa possa ser implantado sobre uma porção muito mais longa da pá, até mesmo sobre todo o comprimento ou envergadura da pá, em contraste às pás da técnica anterior na qual qualquer tal porção de pá espessa é, no máximo, limitada a um ressalto relativamente pequeno ou região de transição entre a porção de raiz e a porção de aerofólio. O spoiler e o gerador de vórtice agem juntos para aprimorar as propriedades aerodinâmicas da pá. O gerador de vórtices ou “turbulador” age para causar turbulência local e para misturar ou agitar o ar energizado, incentivando o mesmo a permanecer conectado à camada de limite ao longo da superfície do lado de pressão da pá na direção do spoiler. Esse fluxo de ar estabiliza e permanece conectado à superfície à medida que se desloca ao longo do lado de pressão em direção ao spoiler na região de borda traseira ou posterior da pá. O spoiler pode, portanto, cumprir sua finalidade em aprimorar as propriedades aerodinâmicas dessa pá de rotor mais espessa. A combinação de gerador de vórtice e spoiler leva a um desempenho aprimorado, particularmente para ângulos de atraque entre 5o e 25°, que é uma faixa típica para cortes transversais de pá em grandes rotores com baixa velocidade giratória. Além disso, porque a zona espessa da pá é associada com menos arrasto total (atrito viscoso e arrasto simples) é um maior coeficiente de elevação comparado a uma pá “mais plana” (que precisa ser maior na região de ressalto a fim de extrair energia do vento), a pá, de acordo com a invenção pode ser compreendida para ter uma forma ou formato relativamente estreito em suas regiões inferiores adjacentes à porção de raiz. Ademais, ao usar a combinação favorável de gerador de vórtice e spoiler, o spoiler mesmo pode ser feito relativamente pequeno, desde que o gerador de vórtice assegure que a fluxo de ar permane- ça conectado de modo que mesmo um spoiler relativamente pequeno sempre “veja” o fluxo de ar. Um “spoiler pequeno” é para se entendido como um spoiler com uma altura relativamente alta. Esses aspectos favoráveis permitem um processo de fabricação mais objetivo com formatos de molde mais simples e com um projeto de spoiler mais simples para carga de vento inferior; um projeto de pá mais robusto com uma borda anterior menos frágil; e um transporte mais econômico da pá para o lugar de montagem da turbina eólica.

Uma vantagem adicional da turbina eólica de acordo com a invenção é que a presença de uma zona espessa mais para o lado externo na pá, favoravelmente aumente a rigidez da pá e, portanto, ajuda a impedir colisões da torre de pá. A zona espessa em combinação com a disposição de correção de fluxo de ar assegura que um fluxo de ar com lado de pressão favorável seja mantido, apesar da pá relativamente espessa na região afastada do centro.

De acordo com a invenção, uma turbina eólica inúmeras pás de rotor, em que pelo menos uma pá de rotor compreende uma pá de rotor de acordo com a invenção. Preferencialmente, tal turbina eólica tem três pás de rotor essencialmente idênticas de acordo com a invenção.

Uma vantagem de tal turbina eólica é que qualquer zona espessa estendida de uma pá de rotor, de acordo com a invenção minimiza a perda em coeficiente de elevação e o aumento em arrasto que poderia do contrário, ser esperado para uma pá com uma espessura relativamente aumentada. A turbina eólica de acordo com a invenção é, portanto, mais eficiente em extrair energia do vento. A rigidez aumentada da pá “espessa” é também benéfica em tal turbina eólica, uma vez que não é necessário incorporar quantidades significativas de fibra de carbono cara para evitar colisões de torre.

De acordo com a invenção, uma disposição de correção de fluxo de ar para corrigir a fluxo de ar sobre a pá de rotor de turbina eólica compreende um spoiler e um gerador de vórtice compreendido para ligar ao lado de pressão da pá em uma região da pá que tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45; em que o gerador de vórtice é dimensionado para manter um fluxo de ar conectado na direção do spoiler.

Uma vantagem da disposição de correção de fluxo de ar de a-cordo com a invenção é que a ação combinada de gerador de vórtice ou “turbulador” da pá pode aprimorar significantemente o coeficiente de elevação da pá sobre qualquer região espessa da pá. Tal disposição de correção de fluxo de ar pode ser incorporada no projeto de pá a partir do princípio, ou pode ser adicionado a uma pá existente em um procedimento de readaptação.

Modalidades particularmente vantajosas e recursos da invenção são dados pelas reivindicações dependentes, conforme revelado na descrição seguinte. Recursos de diferentes categorias de reivindicação podem ser combinados como apropriadas parar dar ainda mais modalidades não descritas no presente documento. A seguir, pode-se presumir que a pá de rotor é para uso em uma turbina eólica com uma haste de eixo giratório horizontal que é alojada em uma nacela montada no topo de uma torre. Uma pá pode ser considerada como começando no cubo e se estendendo para fora a partir do cubo. Ademais, no que se segue os termos “gerador de vórtice" e “turbulador” podem ser usados alternadamente. O termo “zona espessa”, quando usado no seguinte, é para ser entendido como definido acima, para significar a porção da pá de turbina eólica que tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45. Os termos “espesso” ou “espessa” referem-se apenas à definição de coeficiente de espessura que descreve uma geometria de seção de pá, isto é, para a relação de transversal para a corda, e não é necessariamente relacionada a qualquer aumento em massa ou peso da pá.

Conforme indicado acima, o coeficiente de espessura em pás de técnica anterior tem sido mantido geralmente bastante baixo sobre a poção de aerofólio. O coeficiente de espessura (t) sobre um típico aerofólio “plano” pode ser em torno de 0,25. Projetos de técnica anterior geralmente se concentram em como dar formato à seção de aerofólio relativamente plana a fim de maximizar a elevação. Para tais aerofólios planos, a fluxo de ar sobre o lado de pressão não irá separar, de modo que esse aspecto não foi considerado em seções externas de pás de técnica anterior. Porções de pá espessa foram consideradas como uma necessidade no ressalto inevitável ou regiões de transição, nas quais a porção de raiz circular segue na porção de aerofó-lio mais plano, porque nas realizações da técnica anterior qualquer tal seção de pá espessa é associada com o rompimento do fluxo de ar conforme passa sobre o lado de pressão. Por esse motivo, projetos de pá da técnica anterior geralmente se concentram em limitar a inevitável transição ou porções de ombro à zona mais curta possível. A pá, de acordo com a invenção, foi desenvolvida como um resultado da consideração de uma abordagem diferente que abrange as possibilidades de um alto coeficiente de espessura em vez de considerar o mesmo como uma restrição que precisa ser minimizada. Portanto, em uma modalidade particularmente preferencial da invenção, a pá de rotor compreende uma porção de transmissão na zona espessa entre a porção de raiz e a porção de aerofólio, que porção de transição se estende até pelo menos 30%, mais preferencialmente pelo menos 50%, mesmo até ou excedendo 70% de envergadura da pá. Neste e no seguinte, o termo “porção de transição” se refere a uma porção da pá sobre a qual o coeficiente de espessura reduz a partir de um valor alto (por exemplo, a partir de um valor de 1,0 na porção de raiz circular) em direção a um valor inferior na porção de aerofólio da pá. A pá, de acordo com a invenção, portanto, claramente tem uma porção de transição muito mais longa do que uma pá convencional (que se esforça para manter o ombro inevitável ou região de transição o mais curto possível). A disposição de correção de fluxo de ar assegura que a fluxo de ar permanece conectada ao lado de pressão da pá mais espessa, mesmo relativamente distante do lado externo ao longo da envergadura da pá onde o ângulo de ataque é baixo por causa da velocidade giratória aumentada da pá. A zona espessa pode se estender consideravelmente alguma distância para fora ao longo do comprimento da pá além da porção de transição, e pode ainda estender sobre todo o comprimento da pá. Preferencial- mente, a zona espessa se estende sobre pelo menos 30% da envergadura de pá, mais preferencialmente pelo menos 50% da envergadura de pá, e pode ainda estender até 70% ou mais da envergadura de pá. Em uma modalidade preferencial adicional da pá de rotor de acordo com a invenção, portanto, o coeficiente de espessura compreende pelo menos 0,45, mais preferencialmente pelo menos 0,6, na porção de aerofóiio da pá. Isso contrasta fortemente com o projeto de pá convencional, no qual o coeficiente de espessura é mantido baixo sobre a porção de aerofóiio, raramente excedendo valores de 0,25 a 0,3. Em uma pá de rotor de acordo com a invenção, um projeto de pá espessa pode ser usado para mais do comprimento de pá, e a porção de transição pode estender sobre mais ou mesmo a “zona espessa” inteira.

Em uma modalidade preferencial da pá de rotor de acordo com a invenção, o gerador de vórtices é disposto para se estender ao longo do comprimento da zona espessa, em particular quando a zona espessa não se estende todo caminho até a ponta de pá. Por exemplo, a zona espessa pode se estender para fora a partir do cubo sobre dois terços do comprimento da pá, e o aerofóiio da pá pode ser projetado para ter o baixo coeficiente de espessura habitual sobre o restante da pá.

Uma tendência de o fluxo de ar se romper a partir do lado de pressão em certa distância ao longo da pá pode depender do coeficiente de espessura naquele ponto ao longo da pá de rotor. Por exemplo, à medida que a distância ao longo da pá aumenta, o coeficiente de espessura pode ser gradualmente reduzido, por exemplo, a partir de um valor de 1,0 na seção de raiz, até valores de cerca de 0,7 em uma região de transição, a valores de cerca de 0,45 mais para o lado externo ao longo da pá. A tendência de o aerofóiio romper a partir do lado de pressão em um ponto relativamente distante para fora ao longo da pá pode ser inferior do que em um ponto mais próximo ao cubo. Portanto, em uma modalidade particularmente preferencial, o gerador de vórtice é disposto para se estender ao longo de um comprimento da zona espessa sobre a qual o coeficiente de espessura excede 0,45. O fluxo de ar de entrante sobre a porção no sentido do vento do lado de pressão é laminar e pode ser considerado como percurso essencialmente perpendicular ao eixo giratório longitudinal da pá de rotor. Para gerar turbulência, portanto, gerador de vórtice é preferencialmente compreendido para desviar a fluxo de ar de entrante em tal modo que seu trajeto de percurso é alterado, mas não em tal maneira a desviar a fluxo de ar para longe da pá. Para esta finalidade, portanto, em uma modalidade preferencial da invenção o gerador de vórtice compreende uma disposição aberta de e-lementos de gerador de vórtice que projetam para fora ou “aletas”. Esses elementos são preferencialmente dispostos em um modo linear ao longo da pá. A disposição aberta permite que o ar de entrada passe entre os elementos de gerador de vórtice. Preferencialmente, cada elemento de gerador de vórtice "atrapalha” o ar até certo ponto, desviando o ar do percurso que seria do contrário tomado, fazendo com que uma carga de vento no elemento de gerador de vórtice, que por sua vez resulta na criação ou “caminho” de vórtices que “misturam” o ar. Por exemplo, o gerador de vórtice pode compreender uma disposição aberta de elementos de gerador de vórtice que são essencialmente paralelos ao fluxo de ar de entrante, mas que deram formato a “extremidades finais” que desviam o fluxo de ar, misturando ou agitando o ar e tornando-o turbulento. Alternativamente, em uma modalidade preferencial adicional da invenção, os elementos de gerador de vórtice são dispostos em ângulos alternados, por exemplo, em um padrão de ziguezague ou um padrão escalonado. Para permitir que o fluxo de ar de entrante entre no gerador de vórtice, elementos de gerador de vórtice adjacentes são preferencialmente separados por uma distância apropriada. A distância entre os elementos de gerador de vórtice podem ser um múltiplo da altura dos mesmos. Em uma modalidade particularmente preferencial da invenção, um elemento de gerador de vórtice compreende um formato essencialmente triangular e o elemento de gerador de vórtices é disposto na pá de modo que um ápice do elemento de gerador de vórtice é direcionado essencialmente em direção à borda anterior da pá. Dessa maneira, o fluxo de ar se torna turbulento apenas à medida que sai do gerador de vórtice. Os elementos de gerador de vórtice podem ser feitos de qualquer material apropriado, por exemplo, acrí-lonitrila butadieno estireno (ABS), ou uma mescla de materiais apropriados escolhidos por sua durabilidade. O grau de turbulência pode depender das dimensões do gerador de vórtice. Preferencialmente, o gerador de vórtice é dimensionado para induzir apenas o máximo de turbulência necessária para manter o fluxo conectado sobre a porção traseira do lado de pressão da pá. Portanto, em uma modalidade preferencial adicional da invenção, a altura de um elemento de gerador de vórtice compreende no máximo 2,0%, mais preferencialmente no máximo 1%, mais preferencialmente no máximo 0,125% do comprimento de corda correspondente da pá. O comprimento de um elemento de gerador de vórtices pode ser derivado de sua altura, por exemplo, 4 a 5 vezes a sua altura. Em uma modalidade exemplificativa da disposição de correção de fluxo de ar de acordo com a invenção, a altura de um elemento de gerador de vórtice pode ser 1,5 cm para um corda de cerca de 3 m, pode ser de cerca de 7 cm em comprimento, e a distância entre as extremidades de elementos de gerador de vórtice adjacentes pode ser na ordem de 6 cm.

Em uma modalidade particularmente preferencial da invenção, o spoiler é realizado de modo que o lado de pressão da pá compreende uma superfície côncava entre o gerador de vórtice e a borda posterior da pá. Dessa maneira, o spoiler atua para aumentar a elevação. Preferencialmente, o spoiler compreende uma superfície externa essencialmente plana na borda posterior da pá. Isso é para ser entendido para significar uma borda posterior rombuda, por exemplo, a borda posterior pode ter uma profundidade significativa ou pode ser essencialmente perpendicular à corda. Tal projeto de spoiler, que tem uma superfície interna côncava no lado de pressão e uma borda posterior plana, significa que a pá de acordo com a invenção pode ser mais estreita do que uma pá convencional, com um desempenho similar ou mesmo melhor no que se refere à elevação. Além disso, ao implantar um gerador de vórtices para “ajudar” eficazmente o spoiler em sua função, o spoiler pode ser feito menor, isto é, com uma profundidade ou altura inferior. Isso faz com que uma pá que é mais fácil e mais econômica fabricar e trans- portar. A disposição de correção de fluxo de ar de acordo com a invenção pode ser realizada em uma pá de rotor conforme a mesma está sendo fabricada. Por exemplo, o spoiler pode ser moldado como parte da própria pá e os geradores de vórtice podem ser incorporados na superfície externa do lado de pressão da pá após o procedimento de moldagem e antes da pá ser montada no cubo. Certamente, pás existentes podem ser reajustadas com tal disposição de correção de fluxo de ar. O desempenho de qualquer pá que tem uma zona espessa sobre uma porção de sua altura pode ser aprimorada pela adição de tal disposição de correção de fluxo de ar ao longo da zona espessa. Para este fim, em uma disposição de correção de fluxo de ar de acordo com a invenção, o gerador de vórtice compreende preferencialmente uma pluralidade de elementos de gerador de vórtice montados em uma faixa transportadora, em que a faixa transportadora é compreendida para se conectar a superfície de pá de rotor. Por exemplo, tal transportadora pode ser flexível até certo ponto permitindo que o turbulador siga uma curvatura da pá ou mantenha certa distância para a borda anterior ou borda posterior. Em uma realização particularmente favorável, o gerador de vórtice é realizado como uma pluralidade de elementos de gerador de vórtice montados em uma tira adesiva. Semelhantemente, um spoiler também pode ser compreendido para montar na borda posterior de uma pá já existente, ou para cobrir e substituir um spoiler já existente.

Para uma pá que tem um spoiler adequado já no lugar ao longo de tal zona espessa, a adição de um gerador de vórtice pode ser suficiente para aprimorar consideravelmente o desempenho da pá.

Outros objetos e recursos da presente invenção se tornarão aparentes a partir das seguintes descrições detalhadas consideradas em conjunto com os desenhos anexos. É para ser entendido, no entanto, que os desenhos são projetados somente para os fins de ilustração e não como uma definição dos limites da invenção. A Fig. 1 mostra uma representação esquemática de uma pá conforme uma modalidade da invenção; A Fig. 2 mostra um corte transversal através de uma pá da técnica anterior; A Fig. 3 mostra um corte transversal através da pá da Fig. 1; A Fig. 4 mostra uma vista lateral de um gerador de vórtice usado na pá da Fig. 1; A Fig. 5 mostra um primeiro gráfico de fator de interferência axial para uma pá convencional e a pá da Fig. 1; A Fig. 6 mostra um segundo gráfico de fator de interferência axial para uma pá espessa e a pá da Fig. 1; A Fig. 7 mostra um gráfico de coeficiente de desempenho para uma pá espessa de técnica anterior e a pá da Fig. 1; A Fig. 8 mostra um gráfico de coeficiente de elevação para uma pá convencional e a pá da Fig. 1. A Fig. 9 mostra um gráfico do coeficiente de espessura para uma pá convencional e para pás conforme duas modalidades da invenção.

Nos diagramas, números semelhantes se referem a objetos semelhantes por todo o documento. Os objetos nos diagramas não são necessariamente em escala.

Fig. 1 mostra uma representação esquemática de uma pá 1 conforme uma modalidade da invenção. A pá 1 pode ter um comprimento L de cerca de 40 m ou mais, e podem ainda exceder 80 m em comprimento. O diagrama mostra a colocação de uma disposição de correção de aerofólio, que compreende um spoiler 3 e um gerador de vórtice 2, ao longo de uma parte da pá 1 em seu lado de pressão 11.0 grau de disposição de correção de aerofólio 2, 3 pode depender do coeficiente de espessura da pá. Por e-xemplo, a disposição de correção de aerofólio 2, 3 pode ser montada na pá e/ou formada como parte da pá sobre qualquer seção que tem um coeficiente de espessura que excede 0,45. A disposição de correção de aerofólio 2, 3 começa perto da extremidade de raiz 10 da pá 1. O spoiler 3 é montado ao longo da borda posterior 13 da pá 1, enquanto o turbulador é montado entre a borda posterior 13 e a borda anterior 12. Na porção de raiz circular 10, o coeficiente de espessura é simplesmente 1,0. Sobre uma porção de transi- ção 18, o coeficiente de espessura pode diminuir suavemente a partir de um valor de 1,0 na extremidade de raiz circular abaixo a um coeficiente de espessura relativamente alto em excesso de 0,45, que é mantido até a extremidade da zona espessa TZ. Na pá exemplificativa 1 aqui mostrada, a zona espessa TZ se estende a cerca de 60% da envergadura da pá L. Certamen-te, a zona espessa TZ poderia se estender mais para o lado externo para uma porção de aerofólio 19, e poderia ainda se estender sobre o comprimento L da pá 1 inteiro. A Fig. 2 mostra um corte transversal através de uma pá de técnica anterior 100. A pá está voltada para o fluxo de ar de entrante 4 ou “vento relativo” em um ângulo de ataque ?. O fluxo de ar de entrante 4 é deslocado em torno da pá 100 à medida que a pá 100 se move através do giro-plano, de modo que o fluxo de ar sobre o lado de sucção 114 da pá 100 tem uma pressão inferior do que o fluxo de ar sobre o lado de pressão 111 da pá 100. O diagrama indica a linha c da corda, e a transversal t mais longa. O coeficiente de espessura ? para a pá 100 é a relação t/c. Para um alto valor de ?, o fluxo de ar será impossibilitado de manter sua natureza laminar sobre o lado de pressão 111 e irá romper como um resultado, indicado na região 40 entre o ponto mais profundo do corte transversal da pá e uma borda posterior 113. Qualquer spoiler 103 montado na borda posterior 113 será tornado ineficaz, uma vez que tal spoiler é útil apenas em conjunto com um fluxo de ar laminar que é conectado à superfície. A Fig. 3 mostra um corte transversal através da pá 1 da Fig. 1. Novamente, a pá 1 está voltada para o fluxo de ar de entrante 4 em um ângulo de ataque a, e o fluxo de ar de entrante 4 é deslocado em torno da pá 1 à medida que a pá 1 se move através do giroplano, de modo que o fluxo de ar sobre um lado de sucção 14 da pá tem uma pressão inferior do que o fluxo de ar sobre o lado de pressão 11 da pá 1. Para um corte transversal semelhante àquele mostrado na Fig. 2 acima, o fluxo de ar do lado de pressão 11 da pá, conforme essa modalidade da invenção é caracterizado por um fluxo de ar aprimorado 42 na região de um spoiler 3 montado na borda posterior 13, uma vez que um gerador de vórtice 2 energize o fluxo de ar sobre o lado de pressão 11 da pá, indicado pelos vórtices 41, e assegura eficazmente que o fluxo de ar permaneça conectado, isto é, próximo à superfície da pá, conforme a mesma faz um trajeto em direção ao spoiler 3. Isso é devido à energia nos vórtices 41 “misturando” ou energizando a camada limite próximo à superfície da pá. O fluxo de ar permanece assim conectado sobre o lado de pressão da pá, durante todo o caminho até o spoiler 3. A eficácia do spoiler 3 é, portanto, assegurada mesmo para um alto coeficiente de espessura ?. O gerador de vórtice 2 ou turbulador 2 é preferencialmente montado adjacente ao ponto mais profundo da pá, isto é, a um lado da transversal t e na direção do spoiler 3, antes de um ponto em que o fluxo de ar tendería se separar do lado de pressão 11 na ausência de tal turbulador 2. A Fig. 4 mostra uma vista lateral do gerador de vórtice 2 montado no lado de pressão 11 da pá 1 da Fig. 1. O gerador de vórtice 2 compreende uma série de elementos de gerado de vórtices triangulares 20 dispostos em uma forma de ziguezague para o lado de uma linha que se estende ao longo da parte mais profunda da pá 1, de modo que o ápice de cada elemento triangular 20 é direcionado em um ângulo em direção à borda anterior 12, e a base de cada elemento triangular 20 é direcionada em direção à borda posterior 13. A altura dos elementos triangulares 20 é mostrada exagerada no diagrama. Uma altura realista para um elemento triangular 20 compreendería no máximo cerca de 2% da corda da pá, isto é, o comprimento da corda naquele ponto ao longo da pá 1. Uma altura menor de apenas cerca de 0,125% da corda da pá pode até satisfazer para introduzir uma quantidade menor de turbulência enquanto assegura que o fluxo de ar permanece conectado sobre o lado de pressão, de modo que o spoiler “veja” esse fluxo de ar. A Fig. 5 mostra um primeiro gráfico de fator de interferência axial “a” para uma pá de “aerofólio fino” da técnica anterior (indicado pela curva 51 no diagrama, linha tracejada) e para a pá espessa da Fig. 1 (indicada pela curva 50 no diagrama, linha cheia), sobre o comprimento de pá de rotor (eixo giratório -X). O fator de interferência axial “a” é uma medida de o quão bem o rotor extrai energia do vento e pode ser computado com o uso da e- quaçao. <2 = 1 — — ?? em que v é a velocidade do vento à montante do rotor, e vi é a velocidade do vento no giroplano. O fator de interferência axial tem um máximo teórico de 1/3.

Conforme o diagrama mostra, o fator de interferência axial para a pá convencional demonstra uma inclinação marcada nas regiões de pá inferiores, o desempenho da pá é um tanto insatisfatório. A pá da invenção valores tem consideravelmente mais altos de fator de interferência axial sobre seu comprimento inteiro, mesmo nas regiões críticas de pá inferiores. A Fig. 6 mostra um segundo gráfico de fator de interferência axial "a" para uma pá espessa sem geradores de vórtice (indicado pela curva 61 no diagrama, linha tracejada) e para a pá espessa da Fig. 1 (indicada pela curva 60 no diagrama, linha cheia, que corresponder à curva 50 na Fig. 5 acima), sobre o comprimento da pá de rotor (eixo giratório-X). Conforme o diagrama mostra, o fator de interferência axial para uma pá espessa sem quaisquer geradores de vórtice é bastante insatisfatório sobre grande parte de seu comprimento, e significativamente mais insatisfatório do que um pá convencional conforme mostrado na Fig. 5 acima. Isso pode ser explicado pela tendência do fluxo de ar romper com o lado de pressão da pá, e é o motivo para o projeto de aerofólio mais plano de pás convencionais. Em contraste, a pá da invenção tem valores consideravelmente mais altos de fator de interferência axial sobre todo seu comprimento, simplesmente ao “corrigir” o fluxo de ar com a combinação de gerador de vórtice e spoiler sobre a zona de pá espessa. A Fig. 7 mostra um gráfico de coeficiente de desempenho cP para pá espessa sem geradores de vórtice (indicado pela curava 71, linha tracejada) e para a pá da Fig. 1 (indicada pela curva 70, linha suave) sobre a envergadura da pá (eixo giratório-X) para um ângulo de passo ou ângulo de ataque particular. O coeficiente de desempenho cP é a relação da potência extraída do vento para a potência “disponível”, e tem um máximo teórico de cerca de 0,59, enquanto na prática um máximo de 0,5 é mais realista para a pá de turbina eólica. Conforme o diagrama mostra, a ausência de geradores de vórtice na pá espessa resulta em um desempenho razoavelmente insatisfatório nas regiões inferiores da pá até em torno da metade do comprimento de pá. A pá de acordo com a invenção, com a combinação de gerador de vórtice e spoiler, entrega um coeficiente de desempenho muito maior cP sobre a zona de pá espessas, alcançando valores próximos do máximo praticável de 0,5 sobre a maior parte do comprimento. As curvas 70, 71 se intercalam sobre o restante da envergadura da pá. A Fig. 8 mostra um gráfico de coeficiente de elevação cL para uma pá espessa sem geradores de vórtice (indicado pela curva 81, linha tracejada) e a pá da Fig. 1 (indicada pela curva 80, linha suave) contra o ângulo de ataque (eixo giratório-X). Mesmo em um ângulo de ataque muito baixo ou negativo, a pá da invenção entrega um coeficiente de elevação maior do que uma pá espessa sem quaisquer geradores de vórtice. Isso pode ser explicado pelo efeito positivo do gerador de vórtice na passagem do ar sobre o lado de pressão, a saber, que a turbulência provocada pelos turbuladores faz com que o ar mantenha um fluxo de ar conectado em direção do spoiler, permitindo assim que o spoiler cumpra sua função em aumentar a elevação da pá. O desempenho vantajoso da pá da invenção continua para ângulos de ataque de até cerca de 25°. A Fig. 9 mostra um gráfico de coeficiente de espessura ? contra o comprimento da pá para uma pá convencional (indicado pela curva 91, linha quebrada), e para pás conforme duas modalidades da invenção (indicado pela linha curva 90 e 90’, linhas suaves). A pá convencional é caracterizada por um aerofólio mais plano sobre a maior parte de seu comprimento, e qualquer porção espessa de tal pá é limitada à inevitável mais curta região de transição entre a porção de raiz circular e o aerofólio, próximo à base ou extremidade do cubo da pá, para cerca de 10% a 20% do comprimento total da pá. Sobre grande parte de seu comprimento, portanto, uma pá convencional tem um coeficiente de espessura ? de menos do que ou igual a 0,25. Uma pá espessa conforme uma modalidade da invenção, com geradores de vórtice e um spoiler ao longo da zona espessa para assegurar um fluxo de ar conectado sobre o lado de pressão, pode ter um coeficiente de espessura ? de até cerca de 0,5 (curva 90), ou mesmo até cerca de 0,6 sobre grande parte do seu comprimento (curva 90'). Conforme o diagrama mostra, o projeto de pá da invenção não tenta reduzir o coeficiente de espessura rapidamente além da porção de raiz, em vez disso o coeficiente de espessura pode permanecer relativamente alto sobre uma porção de transição 18, diminuendo apenas gradualmente sobre uma fração relativamente longa da pá entre cerca de 5% e 50% de seu comprimento, e pode permanecer alto mesmo sobre a porção de aerofólio 19.

Apesar de a presente invenção ter sido revelada sob a forma de modalidades preferenciais e variações da mesma, será entendido que inúmeras modificações e variações adicionais poderíam ser feitas à mesma sem que se afaste do escopo da invenção.

Por motivos de clareza, deve-se compreender que o uso de “um” ou “uma” em todo esse pedido não exclui uma pluralidade, e “que compreende” não exclui outras etapas ou elementos.

Claims (15)

1. Pá de rotor de turbina eólica (1) caracterizada pelo fato de que compreende uma porção de raiz (10) e uma porção de aerofólio (19), em que a pá (1) compreende. uma zona espessa (TZ) na qual a pá (1) tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45, em que a zona espessa (TZ) se estende para fora a partir da porção de raiz (10) da pá (1) para a porção de aerofólio (19) da pá (1); e uma disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) disposta em um lado de pressão (11) da pá (1) sobre pelo menos uma porção de zona espessa (TZ), em que a disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) compreende um spoiler (3) compreendido para aumentar a elevação da pá; e um gerador de vórtice (2) disposto entre uma borda anterior (12) e a borda posterior (13) e compreendido para manter um fluxo de ar conectado (42) entre 0 gerador de vórtice (2) e o spoiler (3).

2. Pá de rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o coeficiente de espessura compreende pelo menos 0,45, mais preferencialmente pelo menos 0,6, na porção de aerofólio (19) da pá (1)·

3. Pá de rotor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que compreende uma porção de transição (18) na zona espessa (TZ) entre a porção de raiz (10) e a porção de aerofólio (19), em que a porção de transição (18) se estende até pelo menos 30%, mais preferencialmente pelo menos 50%, mais preferencialmente pelo menos 70% do comprimento de pá (L).

4. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o gerador de vórtice (2) é disposto para se estender ao longo do comprimento da zona espessa (TZ).

5. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o gerador de vórtice (2) é disposto para se estender ao longo do comprimento da zona espessa (TZ) sobre a qual o coeficiente de espessura excede 0,45.

6. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o gerador de vórtice (2) compreende uma disposição aberta de elementos de gerador de vórtice (20).

7. Pá de rotor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que os elementos de gerador de vórtice (20) são dispostos em ângulos alternados.

8. Pá de rotor, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que um elemento de gerador de vórtice (20) compreende um formato essencialmente triangular e o elemento de gerador de vórtice (20) é disposto na pá (1) de modo que um ápice do elemento de gerador de vórtice (20) é direcionado essencialmente em direção à borda anterior (12) da pá (1).

9. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizada pelo fato de que a altura de um elemento de gerador de vórtice (20) compreende no máximo 2,0%, mais preferencialmente no máximo 1,0%, mais preferencialmente no máximo 0,5%, mais preferencialmente no máximo 0,125% do comprimento de corda correspondente (c) da pá (1).

10. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que o spoiler (3) compreende uma superfície externa essencialmente plana (30) na borda posterior (13) da pá (1).

11. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que o spoiler (3) é realizado de modo que o lado de pressão (11) da pá (1) compreende uma superfície côncava entre o gerador de vórtice (2) e a superfície externa (30) do spoiler (3).

12. Pá de rotor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que compreende. uma porção de raiz (10) com um diâmetro de pelo menos 2 m; uma envergadura de pá (L) de pelo menos 40 m, mais preferencialmente pelo menos 60 m, mais preferencialmente pelo menos 80 m; e em que a zona espessa (TZ) se estende a pelo menos 30%, mais preferencialmente pelo menos 50%, mais preferencialmente pelo me- nos 70% da envergadura de pá; e em que o spoiler (3) e o gerador de vórtice (2) se estendem ao longo do comprimento da zona espessa (TZ).

13. Turbina eólica com inúmeras pás de rotor (1), caracterizada pelo fato de que pelo menos uma pá de rotor (1) compreende uma pá de rotor (1) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13.

14. Disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) para corrigir o fluxo de ar sobre o lado de pressão (11) de uma pá de rotor de turbina eólica (I) , caracterizada pelo fato de que a disposição de correção de fluxo de ar (2, 3) compreende. um spoiler (3) compreendido para fixação ao lado de pressão (II) da pá (1); e um gerador de vórtice (2) compreendido para fixação ao lado de pressão (11) da pá (1); e em que o gerador de vórtice (2) é dimensionado para manter um fluxo de ar conectado (42) sobre o lado de pressão (11) da pá (1) entre o gerador de vórtice (2) e o spoiler (3) para uma região da pá (1) que tem um coeficiente de espessura de pelo menos 0,45.

15. Disposição de correção de fluxo de ar, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que o gerador de vórtice (2) compreende uma pluralidade de elementos de gerador de vórtice (20) montados sobre uma faixa transportadora, em que a faixa transportadora é compreendida para fixação à superfície de pá de rotor (11).