ES2244202T3 - Pala de turbina eolica con medios de amortiguamiento de oscilaciones en forma de u. - Google Patents
Pala de turbina eolica con medios de amortiguamiento de oscilaciones en forma de u.Info
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Abstract
Pala de turbina eólica (1) destinada a ser dispuesta en un rotor de una turbina eólica, comprendiendo la pala unos medios de amortiguamiento de oscilaciones que definen una cavidad en forma de U (2) dentro de la pala (1), estando la cavidad (2) parcialmente llena de un líquido (8), en cuya cavidad (2) la parte (4) inferior de la forma de U está dispuesta hacia un extremo en punta (3) de la pala y los brazos de la forma de U están orientados sustancialmente hacia un extremo (3) de núcleo de rotor de la pala (1) y los brazos (5, 6) de la forma de U están orientados sustancialmente hacia un extremo de núcleo de rotor de la pala (1), caracterizada porque en el extremo superior de la cavidad en forma de U (2) está definido un conducto (7), conectando el conducto (7) los dos brazos (5, 6) para proporcionar una cavidad en forma de O.
Description
Pala de turbina eólica con medios de
amortiguamiento de oscilaciones en forma de U.
La presente invención se refiere a palas de
turbina eólica con medios de amortiguamiento de oscilaciones
dispuestos en la pala para amortiguar las oscilaciones de la pala,
en particular, las oscilaciones de canto de la pala en el plano de
rotación de un rotor sobre el que está montada la pala.
En particular, la invención se refiere a unos
medios de amortiguamiento que comprenden una cavidad en forma de U
en la que un líquido, preferentemente, una solución saturada de
cloruro de sodio en agua, puede oscilar en contrafase con las
oscilaciones de la pala. En una realización ventajosa, el extremo
superior de los brazos de la cavidad en forma de U está conectado a
un conducto, de manera que se proporciona una cavidad en forma de O.
La cavidad puede ajustarse para amortiguar las oscilaciones de la
primera frecuencia natural de canto o de la segunda frecuencia
natural de canto de la pala, o los medios de amortiguamiento pueden
comprender ambos tipos de amortiguadores.
Además, la invención se refiere a palas que
comprenden amortiguadores que presentan un elemento cilíndrico que
puede rodar en un cubo en la pala y a amortiguadores que presentan
un péndulo suspendido elásticamente.
En las turbinas eólicas para generación de
energía pueden producirse oscilaciones no deseadas. Estas
oscilaciones pueden incluir a toda la turbina, es decir, varias
partes están oscilando en un modo combinado, o las oscilaciones
pueden tener lugar localmente en una sola parte. De particular
intensidad son las oscilaciones en las palas del rotor, ya sean de
canto (en el plano del rotor), de aleta (perpendiculares al plano
del rotor), o en un modo combinado de canto y de aleta. El que se
produzcan estas oscilaciones depende del diseño de la turbina eólica
y de las condiciones meteorológicas.
Los fenómenos oscilatorios pueden ocasionar
cargas peligrosamente altas sobre la pala y otras partes de la
turbina eólica, que pueden dar lugar a un colapso súbito o,
alternativamente, pueden ser la causa de daños por fatiga y de una
reducción de la vida útil, ya que las grietas en los componentes
aumentan lentamente, dando lugar a la larga a un fallo mecánico. La
aparición de oscilaciones añade un factor de incertidumbre a las
predicciones de las cargas de vida útil sobre las diversas partes de
una turbina eólica, haciendo necesario hacer el diseño más
resistente y pesado de lo que de otro modo hubiese sido el caso.
El concepto del amortiguamiento de oscilaciones
en una pala dispuesta en un rotor se conoce desde hace muchos años
por palas de turbina tales como las descritas en las patentes US nº
2.292.072, US nº 2.349.187 y US nº 2.999.669.
El principio general de amortiguar oscilaciones
de palas de turbina eólica incorporando un dispositivo de
amortiguamiento en las palas se describe en el documento
WO-A-95/21327, y se da un número de
ejemplos de tales dispositivos, tales como dispositivos que tienen
una masa móvil, un muelle y un amortiguador combinados en diferentes
configuraciones, un dispositivo electromagnético que comprende un
disco suspendido de aluminio en el que se inducen corrientes de
Foucault durante el movimiento del disco para proporcionar una
resistencia al movimiento, y un dispositivo que comprende un
recipiente parcialmente lleno de un líquido y que tiene una placa
amortiguadora perforada, un amortiguador de líquido regulado (TLD -
Tuned Liquid Damper).
En el documento DK 95 00222 U3 se da a conocer un
dispositivo de amortiguamiento que comprende un número de cavidades,
principalmente cavidades esféricas, llenas de material granulado o
de un líquido, y en el documento WO 99/32789 se da a conocer un
dispositivo de amortiguamiento que comprende un número de
recipientes parcialmente llenos de líquido, un sistema amortiguador
de líquido regulado (TLD).
Un problema general es que resulta difícil
producir un amortiguador eficiente de diseño viable que sea
suficientemente compacto y plano a fin de satisfacer las estrictas
restricciones espaciales dentro de la pala.
En el documento EP 0 853 197 A1 se da a conocer
una pala de turbina eólica que presenta un resonador mecánico que
comprende dos péndulos acoplados. Se proporciona un diseño compacto,
pero los mecanismos de acoplamiento son mecánicamente bastante
complejos.
El documento
GB-A-2 090 339 da a conocer una pala
de turbina con medios de amortiguamiento de oscilaciones que definen
una cavidad en forma de U dentro de la pala, estando la cavidad
parcialmente llena de líquido. La parte inferior de la cavidad está
dispuesta hacia un extremo en punta de pala, y los brazos, hacia un
extremo de núcleo de rotor de pala. La cavidad se conforma y alinea
con la pala de manera que se constriña el líquido para formar una
columna que oscile con la cavidad en direcciones radiales y en las
mismas direcciones que la vibración a amortiguar.
El amortiguamiento de oscilaciones en palas de
turbina eólica, en particular, oscilaciones de canto, es importante
para evitar daños por fatiga y el fallo mecánico de las palas, y el
tema se esta volviendo cada vez más importante con el desarrollo de
turbinas eólicas más grandes y una construcción más ligera de las
palas.
Es un objetivo de la presente invención
proporcionar una pala de turbina eólica provista de un amortiguador
eficiente de diseño viable que sea suficientemente compacto y ligero
a fin de satisfacer las estrictas restricciones espaciales dentro de
la pala.
Es un objetivo adicional de la presente invención
proporcionar una pala provista de un amortiguador que sea de
construcción sencilla a fin de reducir los costes del amortiguador
y, al mismo tiempo, proporcionar un amortiguador que requiera poco o
nada de mantenimiento durante su vida útil esperada.
A medida que el diseño de la construcción de
palas de turbina eólica se vuelve más ligero y las palas se alargan,
surge una demanda cada vez mayor del amortiguamiento de las
oscilaciones de la segunda frecuencia natural de la pala, en
particular, las oscilaciones de la segunda frecuencia natural de la
pala en el plano de rotación del rotor, es decir, las oscilaciones
de canto de segundo orden. Es otro objetivo adicional de la presente
invención proporcionar una pala que presente un amortiguador para
amortiguar las oscilaciones de la segunda frecuencia natural de la
pala, en particular, las oscilaciones de canto.
Es otro objetivo adicional adicional de la
presente invención proporcionar una pala provista de unos medios
para amortiguar las oscilaciones de la segunda frecuencia natural,
así como unos medios para amortiguar las oscilaciones de la primera
frecuencia natural.
Por tanto, la presente invención se refiere a una
pala de turbina eólica destinada a ser dispuesta en un rotor de una
turbina eólica, comprendiendo la pala unos medios que definen una
cavidad en forma de U dentro de la pala, estando la cavidad
parcialmente llena de un líquido, en cuya cavidad la parte inferior
de la forma de U está dispuesta hacia un extremo en punta de la pala
y los brazos de la forma de U están orientados sustancialmente hacia
un extremo de núcleo de rotor de la pala y los brazos de la forma de
U están orientados sustancialmente hacia un extremo de núcleo de
rotor de la pala, caracterizado porque en el extremo superior de la
cavidad en forma de U está definido un conducto, conectando el
conducto los dos brazos para que se proporcione una cavidad en forma
de O. Típicamente, la cavidad puede definirse por medio de un tubo o
una placa curva, pero la cavidad también puede ser una parte
integrada de los elementos constructivos de la pala. Se entiende que
el extremo de núcleo de rotor de la pala es el extremo conectado al
núcleo de rotor del rotor, y se entiende que el extremo en punta de
la pala es el extremo libre de la pala. En un sentido amplio,
debería entenderse por la forma de U una cavidad que presenta una
parte media o inferior y dos brazos, los cuales están
preferentemente dispuestos de manera simétrica con respecto a la
parte inferior para que las oscilaciones se amortigüen
simétricamente. La parte inferior puede ser bastante corta en
comparación con la parte llena de líquido de los brazos, de manera
que la forma sea más como una V, lo cual puede resultar ventajoso
porque la frecuencia natural de un amortiguador de tal diseño varía
menos a amplitudes elevadas de la columna de líquido dentro de la
cavidad que para un amortiguador que tenga una parte inferior más
larga. Sin embargo, un diseño viable ha demostrado tener una forma
más de U que de V, y un diseño en el que la longitud de la columna
de líquido contenido dentro de la parte inferior sea aproximadamente
igual al doble de la longitud de la columna de líquido de cada uno
de los brazos proporciona unas propiedades de
amortiguamiento satisfactorias del amortiguador, así como amplitudes relativamente pequeñas de la columna de líquido.
amortiguamiento satisfactorias del amortiguador, así como amplitudes relativamente pequeñas de la columna de líquido.
En una realización particular, los brazos de la
cavidad están dispuestos en un plano de rotación del rotor, y los
medios de amortiguamiento de oscilaciones se ajustan para amortiguar
las oscilaciones de la primera frecuencia natural de la pala en el
plano de rotación para que se amortigüen las oscilaciones de canto
de la pala. Estas oscilaciones se encuentran principalmente dentro
del intervalo de 1-5 Hz, intervalo de frecuencias al
que preferentemente se ajustan los medios de amortiguamiento de
oscilaciones.
A fin de proporcionar un amortiguamiento
apropiado de la pala, los medios de amortiguamiento de oscilaciones
deberían diseñarse para amortiguar las oscilaciones de la primera
frecuencia natural de la pala en el plano de rotación con una
magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la amplitud de
al menos un 2%.
El decremento logarítmico \delta de la amplitud
se define como:
\delta=\frac{1}{n}ln\left(\frac{a_{1}}{a_{n}}\right)
donde
n es el número de oscilaciones,
a_{1} es la amplitud de la primera oscilación,
y
a_{n} es la amplitud de la oscilación
enésima.
La estructura de la pala presenta por sí misma un
efecto amortiguador en las oscilaciones, y las oscilaciones de la
primera frecuencia natural de la pala en el plano de rotación
deberían amortiguarse totalmente con el efecto combinado de la
estructura y el amortiguador con una magnitud equivalente a un
decremento logarítmico de la amplitud de al menos un 5% y,
preferentemente, dentro del intervalo de 6-15% a fin
de evitar una carga excesiva sobre la pala por las oscilaciones de
canto.
En realizaciones ventajosas de la presente
invención, la masa del líquido que es móvil en la dirección de las
oscilaciones es equivalente a desde un 0,5% hasta un 2% de la masa
oscilante equivalente de la pala en el primer modo natural de
oscilación en la posición radial de los medios de amortiguamiento.
La masa oscilante equivalente normalmente se encuentra como una masa
colocada en la punta de una pala sin masa, y esta masa se convierte
en una masa oscilante equivalente de otra posición radial
multiplicando la masa por la relación entre las amplitudes de una
oscilación en la punta y en la posición radial.
El extremo superior de los brazos de la cavidad
en forma de U debería diseñarse para que se evite que una porción de
aire quede atrapada entre la superficie del líquido y la pared
interior del brazo de una manera tal que la porción de aire actúe
como un muelle, puesto que se ha demostrado que la presencia de
tales muelles resulta desventajosa. El amortiguador puede diseñarse
con brazos largos, o los brazos pueden conectarse a un depósito o a
la atmósfera. Sin embargo, un brazo largo o un depósito ocupan
espacio y por tanto no son ideales para un amortiguador a incorporar
en una pala, y una abertura al exterior hace que el vapor del
líquido salga de la cavidad, reduciendo así la cantidad de líquido y
cambiando la frecuencia natural del amortiguador con el tiempo a no
ser que se prevean medios para regular la cantidad de líquido en el
amortiguador.
El conducto se diseña preferentemente para que el
aire pueda pasar para adelante y para atrás únicamente con una
pequeña resistencia, puesto que el amortiguador contrarresta las
oscilaciones de la pala al estar en contrafase con estas
oscilaciones y no mediante el amortiguamiento de sus propias
oscilaciones. Por este motivo, se prefiere que la superficie media
en sección transversal del conducto sea igual a al menos la mitad de
la superficie media en sección transversal de la cavidad en forma de
U, y se prefiere más que la superficie media en sección transversal
del conducto sea sustancialmente igual que la superficie media en
sección transversal del cavidad en forma de U. Una realización del
amortiguador de la presente invención en el que la superficie en
sección transversal es de una magnitud sustancialmente constante en
toda la forma de O ha demostrado poseer unas excelentes propiedades
para la
finalidad.
finalidad.
A fin de conseguir que la turbina eólica sea apta
para hacer frente a los cambios ambientales y sea operativa bajo la
mayor parte de las circunstancias, la temperatura de congelación del
líquido debería ser inferior a -10 grados Celsius, preferentemente
inferior a -18 grados Celsius.
La densidad del líquido es ventajosamente de al
menos 1,1 toneladas métricas por metro cúbico, preferentemente, de
al menos 1,15 toneladas métricas por metro cúbico, para que el
tamaño físico de los medios de amortiguamiento de oscilaciones pueda
reducirse en comparación con el uso de agua pura como líquido.
Un líquido económico que se prefiere para la masa
oscilante es agua que comprende preferentemente al menos un agente
para reducir la temperatura de congelación del agua y/o al menos un
agente para aumentar la densidad del líquido. También puede
emplearse mercurio u otro metal líquido con la ventaja de que la
alta densidad permite un diseño muy compacto del amortiguador, pero
el agua resulta ventajosa todavía porque no presenta un riesgo
medioambiental si se escapa de los recipientes.
Puede emplearse un número de agentes diferentes,
entre estos, un número de sales. Un agente preferido es el cloruro
de sodio porque es medioambientalmente inocuo y porque la
solubilidad del cloruro de sodio en agua apenas cambia con la
temperatura, de manera que no se tendrá lugar una cristalización en
el recipiente. El cloruro de sodio tanto reduce la temperatura de
congelación del agua como aumenta su densidad.
El agua puede comprender al menos un porcentaje
en masa del 18% de cloruro de sodio, preferentemente, al menos un
porcentaje en masa del 22% de cloruro de sodio, y más
preferentemente, aproximadamente un porcentaje en masa del 26% de
cloruro de sodio, que es una solución saturada.
Otro agente adecuado para ambos fines es el
glicerol.
Además, y según la presente invención, los brazos
de la cavidad pueden disponerse en un plano de rotación del rotor, y
los medios de amortiguamiento de oscilaciones pueden ajustarse para
amortiguar las oscilaciones de la segunda frecuencia natural de la
pala en el plano de rotación. Tales medios de amortiguamiento están
regulados preferentemente para amortiguar oscilaciones de una
frecuencia que está dentro del intervalo de 5-12 Hz,
y los medios de amortiguamiento de oscilaciones están diseñados
preferentemente, al igual que para las oscilaciones de la primera
frecuencia natural, para amortiguar las oscilaciones de la segunda
frecuencia natural de la pala en el plano de rotación con una
magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la amplitud de
al menos un 2%.
El amortiguamiento total de las oscilaciones de
la segunda frecuencia natural de la pala en el plano de rotación es
preferentemente de una magnitud equivalente a un decremento
logarítmico de la amplitud de al menos un 5%, más preferentemente,
dentro del intervalo de 6-15%. La masa del líquido
que es móvil en la dirección de las oscilaciones es preferentemente
equivalente a desde un 0,5% hasta un 2% de la masa oscilante
equivalente de la pala en el segundo modo natural de oscilación en
la posición radial de los medios de amortiguamiento.
Se entiende que una pala que presente medios para
amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia natural, así
como medios para amortiguar las oscilaciones de la segunda
frecuencia natural, también sea según la presente invención.
Resulta ventajoso para todas las palas
anteriormente mencionadas que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones se dispongan en una parte de la pala que presente
grandes amplitudes del movimiento oscilatorio, la cual es, para los
medios para amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia
natural, así como para los medios para amortiguar las oscilaciones
de la segunda frecuencia natural, una posición en una parte de
extremo en punta de la pala. Las oscilaciones de la segunda
frecuencia natural presentarán un punto nodal cerca de la parte de
extremo en punta de la pala y en una región entre el extremo de
núcleo de rotor y el punto nodal en la que las amplitudes de las
oscilaciones de la segunda frecuencia natural son grandes y puede
colocarse un amortiguador.
Otra realización según la invención de una pala
con un amortiguador es una pala de turbina eólica para disponerse en
un rotor de una turbina eólica, comprendiendo la pala unos medios de
amortiguamiento de oscilaciones que presentan un cubo y un elemento
cilíndrico que se acopla a una pared lateral del cubo, estando dicha
pared lateral dispuesta hacia un extremo en punta de la pala y
curvándose hacia un extremo de núcleo de rotor de la pala de manera
que el elemento cilíndrico pueda rodar de un lado a otro lado del
dicha pared lateral en torno a una posición
neutra.
neutra.
A un amortiguador de este tipo puede dársele un
diseño estrecho para que quepa en una pala. Al aparecer las
oscilaciones, el elemento cilíndrico comenzará a rodar para adelante
y para atrás en contrafase con las oscilaciones de la pala y por
tanto amortiguará las oscilaciones.
Preferentemente, el amortiguador está orientado
para que el elemento cilíndrico pueda rodar en un plano de rotación
del rotor, y los medios de amortiguamiento de oscilaciones están
regulados para amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia
natural de la pala en el plano de rotación.
El cubo puede estar al menos parcialmente lleno
de un líquido para amortiguar los movimientos del elemento
cilíndrico y para regular la frecuencia natural del amortiguador.
Tal como se ha descrito anteriormente, el líquido puede ser agua con
un agente, pero también puede ser ventajoso un aceite lubricante a
fin de reducir el desgaste sobre las partes de acoplamiento del
elemento cilíndrico y el cubo.
En una realización particularmente preferida, el
elemento cilíndrico y la pared lateral pueden comprender unos
elementos de engranaje mutuo para garantizar que la periferia del
elemento cilíndrico no resbale sobre la pared lateral cuando el
elemento rueda. De ese modo, el movimiento del elemento cilíndrico
mientras rueda, y por tanto la frecuencia natural del amortiguador y
el efecto amortiguador, son totalmente predecibles y no cambiarán
debido a un resbalamiento. Los elementos de engranaje pueden ser,
por ejemplo, una rueda dentada y una corona dentada, o una rueda
catalina y una cadena.
Una realización adicional según la invención de
una pala que presenta un amortiguador es una pala de turbina eólica
para disponerse en un rotor de una turbina eólica, comprendiendo la
pala unos medios de amortiguamiento de oscilaciones que presentan un
péndulo con un elemento másico que puede oscilar alrededor de un eje
de pivote, estando el péndulo conectado a la pala por el eje de
pivote con un material elástico para que la energía se absorba en el
material cuando el péndulo oscile.
A un amortiguador de este tipo puede dársele un
diseño estrecho para que quepa en una pala, y el péndulo comenzará a
oscilar en contrafase con la pala si tienen lugar oscilaciones de la
pala. Las oscilaciones de la pala son amortiguadas por las
oscilaciones en contrafase del péndulo, y el movimiento del péndulo
está amortiguado por el material elástico por absorción de la
energía cinética en el material elástico.
Preferentemente, el amortiguador está orientado
de manera que el péndulo pueda oscilar en un plano de rotación del
rotor, y los medios de amortiguamiento de oscilaciones están
regulados para amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia
natural de la pala en el plano de rotación.
Según una realización, el elemento másico del
péndulo está dispuesto más cerca de un extremo en punta de la pala
que del eje de pivote.
Según otra realización de la invención, el
elemento másico está dispuesto más cerca de un extremo de núcleo de
rotor de pala que del eje de pivote.
En una realización preferida de la invención, el
material elástico comprende caucho.
Preferentemente, el elemento másico del péndulo
está equipado con un elemento de rueda para acoplarse con las partes
de pared lateral de una cavidad definida dentro de la pala para
soportar el elemento másico en la dirección del eje de pivote,
estando el elemento de rueda dispuesto alrededor de un eje que es
perpendicular al eje de pivote.
La descripción viene acompañada de unos dibujos
en los que se describen realizaciones de la presente invención.
La figura 1 es una representación gráfica del
decremento logarítmico debido a la presencia de líquido en el
amortiguador en forma de U como una función del volumen del
líquido,
la figura 2 muestra una pala de turbina eólica
que presenta un amortiguador en forma de U,
la figura 3 muestra una realización preferida de
un amortiguador en forma de U,
la figura 4 muestra el amortiguador de la figura
3 dispuesta en la punta de una pala,
la figura 5 muestra un amortiguador que presenta
un elemento cilíndrico,
la figura 6 muestra un amortiguador que presenta
un péndulo, el elemento másico del cual está más cerca del extremo
en punta de la pala, y
la figura 7 muestra un amortiguador que presenta
un péndulo, el elemento másico del cual está más cerca del extremo
de núcleo de rotor de la pala.
El amortiguador en forma de U amortigua
principalmente las oscilaciones al estar en contrafase con la pala,
de manera que el movimiento del líquido dentro del amortiguador se
encuentra en el sentido contrario al movimiento oscilante de la
pala, tal como se observa en un sistema que gira con la velocidad
angular del rotor. La primera frecuencia f natural, que
también es la frecuencia de amortiguamiento, de un amortiguador en
forma de U se obtiene teóricamente como:
f=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{2\Omega^{2}R
sin\varphi}{L}}
donde
f es la frecuencia de amortiguamiento del
amortiguador en forma de U [Hz],
\Omega es la velocidad de rotación del rotor
[rad/s],
R es la distancia desde el centro del rotor hasta
la superficie libre del líquido en el amortiguador cuando está en
una posición neutra [m],
\varphi es el ángulo entre la dirección de las
patas del amortiguador en forma de U y la dirección instantánea de
movimiento de la pala, y
L es la longitud de la columna de líquido dentro
del amortiguador a lo largo del centro de gravedad de las secciones
transversales de la columna [m].
El amortiguador se ve sometido a una gravedad
aparente media de \Omega^{2}R debido a la rotación de la
pala. Debido a la posición vertical del rotor, la gravedad aparente
variará con \pm9,8 m/s^{2} durante una rotación del rotor.
Un ejemplo de pala es una pala de 32 m de largo
con un amortiguador colocado en R = 29,5 m, una velocidad de
rotación de \Omega = 1,807 rad/s y una primera frecuencia natural
en el plano de rotación de la pala, una frecuencia natural de canto,
f_{b}, de 2,19 Hz, y las patas del amortiguador son
paralelas al eje longitudinal de la pala, de manera que
\varphi = \pi/2. Por tanto, la longitud L de la columna de líquido obtenida a partir de la ecuación anterior es 1,017 m.
\varphi = \pi/2. Por tanto, la longitud L de la columna de líquido obtenida a partir de la ecuación anterior es 1,017 m.
Al variar la gravedad aparente con \pm9,8
m/s^{2}, se encuentra que, para la presente pala, la frecuencia
natural del amortiguador varía \pm 0,13 Hz durante una rotación,
lo cual es igual a un \pm6% de la frecuencia natural media.
La superficie interior en sección transversal del
amortiguador empleado (tal como se muestra en las figuras 3 y 4) es
A = 0,0112 m^{2} en todos los puntos, la distancia d entre
los centros de gravedad de las dos patas es de 0,317 m, y la
densidad del líquido, que es agua con un porcentaje en masa del 26%
de cloruro de sodio, es \rho = 1200 Kg/m^{3}. La masa del
líquido que es móvil en la dirección de las oscilaciones es M
= A\cdotd\cdot\rho = 4,2 Kg. Se encuentra que la masa
equivalente M_{E} de la pala para el primer modo natural de
oscilación es de 514,9 Kg en la punta. La deflexión debida a
oscilaciones del primer modo natural en R es 0,864 veces la
deflexión en la punta, así que la masa equivalente en R es de
M_{E}/0,864, y por tanto, M es equivalente a un 0,7%
de la masa oscilante equivalente de la pala en el primer modo
natural en la posición radial del amortiguador.
Se ha llevado a cabo un experimento con el
amortiguador empleado con la pala en el que el amortiguador se monta
en un péndulo. La relación de masa de la pala se reprodujo en el
experimento, y se midió el decremento logarítmico de la amplitud del
péndulo y del amortiguador sin líquido, así como con distintos
volúmenes de líquido. En la figura 1 se muestra el decremento
logarítmico debido a la presencia de líquido en el amortiguador como
una función del volumen del líquido.
El amortiguamiento estructural de la pala en la
dirección de canto es de un 3,8%, razón por la cual se entiende que
un amortiguamiento satisfactorio del amortiguador es un 2,5% a fin
de conseguir un amortiguamiento total de las oscilaciones en el
plano de rotación del rotor de al menos un 6,3%. Se encuentra que el
amortiguamiento es satisfactorio cuando el volumen se encuentra
dentro de un intervalo correspondiente a un intervalo de frecuencias
de un \pm4,6% en torno a un volumen óptimo de líquido que
proporciona un amortiguamiento óptimo de un 10,5%. El volumen óptimo
de líquido resultó ser mayor que el volumen de líquido predicho
teóricamente obtenido de la ecuación anterior para la primera
frecuencia f natural del amortiguador.
Este resultado tan importante para el diseño de
este tipo de palas muestra que el volumen óptimo de líquido, y por
tanto la longitud L óptima de la columna de líquido dentro
del amortiguador a lo largo del centro de gravedad para el presente
amortiguador, es 1,117 veces el volumen, respectivamente, de la
longitud L, obtenido de la ecuación teórica. Aunque esto
puede variar con un diseño diferente de amortiguador, una conclusión
general es que debe esperarse un aumento de la longitud de la
columna de líquido en el intervalo de 8-16%,
probablemente de aproximadamente un 12%, en comparación con el valor
teórico, a fin de lograr la frecuencia de amortiguamiento óptima
esperada del amortiguador.
En la figura 2 se muestra una pala de turbina
eólica que presenta un amortiguador 2 en forma de U. El amortiguador
2 está dispuesto en un extremo 3 de punta de la pala 1, mostrado
ampliado en la parte derecha de la figura 2. El amortiguador 2
comprende una parte 4 inferior de la forma de U, dos brazos 5, 6,
dispuestos en el plano de rotación del rotor, y un conducto 7 que
conecta los dos brazos 5, 6 por un extremo superior. En el
amortiguador 2 se proporciona una cantidad de líquido 8, y con una
flecha 9 se indica la cantidad de líquido que es móvil en la
dirección de las oscilaciones.
La figura 3 muestra una realización preferida de
un amortiguador 2 en forma de U, con las dimensiones dadas en
milímetros. El amortiguador está diseñado para la pala 1 de 32
metros de largo, dado como ejemplo anteriormente. La superficie
interior en sección transversal del amortiguador 2 es
sustancialmente constante en la totalidad del amortiguador 2,
incluyendo el conducto 7. La distancia d entre los centros de
gravedad de las dos patas 5, 6 es de 317 milímetros y también se
muestra en la figura.
La figura 4 muestra el amortiguador 2 de la
figura 3 dispuesto en el extremo 3 de punta de una pala 1 de 32
metros de largo, la longitud de la pala 1 desde el extremo del
núcleo de rotor se da en metros en la parte izquierda de la figura.
Las dimensiones de la pala 1 se dan en milímetros, y la construcción
de la pala 1 con tres capas se indica como CAP1, CAP2 y CAP3.
En la figura 5 se muestra otra realización de la
invención. Se muestra un extremo 3 de punta de una pala 1 con un
amortiguador 2 que presenta un elemento 10 cilíndrico comprendido
dentro un cubo 11 que está lleno de un líquido 12. El cubo 11 está
dispuesto de manera que la pared 13 lateral curva sobre la que rueda
el elemento 10 cilíndrico esté colocada hacia el extremo 3 de punta
de la pala 1 y de manera que el elemento 10 cilíndrico pueda rodar
en el plano de rotación del rotor al que está conectado la pala 1
para amortiguar las oscilaciones en el plano de rotación. El
movimiento del elemento 10 cilíndrico se indica con una flecha 14.
El elemento 10 cilíndrico comprende una rueda 15 dentada que engrana
con una corona 16 dentada de la pared 13 lateral curva. El radio
R de la pared 13 lateral curva debe ser menor que la
distancia desde el núcleo de rotor hasta la pared 13 lateral curva a
fin de conseguirse el efecto de amortiguamiento correcto del 2.
En las figuras 6 y 7 se muestran dos
realizaciones de amortiguadores 2 que comprenden un péndulo 17, de
las cuales la figura 6 muestra un amortiguador 2 que presenta un
péndulo 17 cuyo elemento 18 másico está más cerca del extremo 3 de
punta de la pala 1 que del pivote 19, y la figura 7 muestra un
amortiguador 2 que presenta un péndulo 17 cuyo elemento 18 másico
está más cerca al extremo de núcleo de rotor de la pala 1 que del
pivote 19. El péndulo 17 está suspendido en un material elástico y
puede oscilar en el plano de rotación del rotor para amortiguar las
oscilaciones de canto de la pala 1. El movimiento del péndulo se
indica con unas flechas 20, 21.
Claims (23)
1. Pala de turbina eólica (1) destinada a ser
dispuesta en un rotor de una turbina eólica, comprendiendo la pala
unos medios de amortiguamiento de oscilaciones que definen una
cavidad en forma de U (2) dentro de la pala (1), estando la cavidad
(2) parcialmente llena de un líquido (8), en cuya cavidad (2) la
parte (4) inferior de la forma de U está dispuesta hacia un extremo
en punta (3) de la pala y los brazos de la forma de U están
orientados sustancialmente hacia un extremo (3) de núcleo de rotor
de la pala (1) y los brazos (5, 6) de la forma de U están orientados
sustancialmente hacia un extremo de núcleo de rotor de la pala (1),
caracterizada porque en el extremo superior de la cavidad en
forma de U (2) está definido un conducto (7), conectando el conducto
(7) los dos brazos (5, 6) para proporcionar una cavidad en forma de
O.
2. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 1, en la que los brazos (5, 6) de la cavidad (2)
están dispuestos en un plano de rotación del rotor, y la posición y
el diseño de la cavidad en forma de U (2) y la longitud de la
columna de líquido dentro de la cavidad (2) están regulados de tal
modo que los medios de amortiguamiento de oscilaciones estén
ajustados para amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia
natural de la pala (1) en el plano de rotación.
3. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 2, en la que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones están regulados para amortiguar unas oscilaciones de
una frecuencia que está dentro del intervalo de 1-5
Hz.
4. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 2 ó 3, en la que la masa del líquido (8) dentro de la
cavidad (2) y que es móvil en la dirección de las oscilaciones está
ajustada de tal modo que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones estén regulados para amortiguar las oscilaciones de la
primera frecuencia natural de la pala (1) en el plano de rotación
con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la
amplitud de al menos un 2%.
5. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 4, en la que la masa del líquido (8) dentro de la
cavidad (2) y que es móvil en la dirección de las oscilaciones está
ajustada de tal modo que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones estén dispuestos para amortiguar las oscilaciones de la
primera frecuencia natural de la pala (1) en el plano de rotación
con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la
amplitud de al menos un 5%.
6. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 5, en la que la masa del líquido (8) dentro de la
cavidad (2) y que es móvil en la dirección de las oscilaciones está
ajustada de tal modo para que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones estén dispuestos para amortiguar las oscilaciones de la
primera frecuencia natural de la pala (1) en el plano
de rotación con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la amplitud dentro del intervalo de 6-15%.
de rotación con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la amplitud dentro del intervalo de 6-15%.
7. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en la que la masa del líquido (8)
que es móvil en la dirección de las oscilaciones es equivalente a un
0,5% hasta un 2% de la masa oscilante equivalente de la pala (1) en
el primer modo de oscilación natural en la posición radial de los
medios de amortiguamiento.
8. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 1, en la que la superficie media en sección
transversal del conducto (7) es igual a por lo menos la mitad de la
superficie media en sección transversal de la cavidad en forma de U
(2).
9. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 8, en la que la superficie media en sección
transversal del conducto (7) es sustancialmente igual que la
superficie media en sección transversal de la cavidad en forma de U
(2).
10. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en la que la temperatura de
congelación del líquido (8) es inferior a -10 grados Celsius,
preferentemente inferior a -18 grados Celsius.
11. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 10, en la que el líquido (8) es agua que comprende al
menos un agente para reducir la temperatura de congelación del
agua.
12. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en la que densidad del líquido
(8) es de por lo menos 1,1 toneladas métricas por metro cúbico,
preferentemente de por lo menos 1,15 toneladas métricas por metro
cúbico.
13. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 12, en la que el líquido (8) es agua que comprende al
menos un agente para aumentar la densidad del líquido (8).
14. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones 11 a 13, en la que al menos un agente es
cloruro de sodio.
15. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 14, en la que el líquido (8) es agua que comprende al
menos un porcentaje en masa del 18% de cloruro de sodio,
preferentemente al menos un porcentaje en masa del 22% de cloruro de
sodio, y más preferentemente aproximadamente un porcentaje en masa
del 26% de cloruro de sodio.
16. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones 11 a 13, en la que al menos un agente es
glicerol.
17. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en la que los medios de
amortiguamiento de oscilaciones están dispuestos en una parte de
extremo (3) de punta de la pala (1).
18. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en la que los brazos (5, 6) de
la cavidad (2) están dispuestos en un plano de rotación del rotor, y
los medios de amortiguamiento de oscilaciones están regulados para
amortiguar unas oscilaciones de la segunda frecuencia natural de la
pala (1) en el plano de rotación.
19. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 18, en la que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones están regulados para amortiguar unas oscilaciones de
una frecuencia que está dentro del intervalo de 5-12
Hz.
20. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 18 ó 19, en la que la masa del líquido (8) dentro de
la cavidad (2) y que es móvil en la dirección de las oscilaciones
está ajustada de tal modo que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones estén regulados para amortiguar las oscilaciones de la
segunda frecuencia natural de la pala (1) en el plano de rotación
con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la
amplitud de al menos un 2%.
21. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 20, en la que la masa del líquido (8) dentro de la
cavidad (2) y que es móvil en la dirección de las oscilaciones está
ajustada de tal modo que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones estén regulados para amortiguar las oscilaciones de la
segunda frecuencia natural de la pala (1) en el plano de rotación
con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la
amplitud de al menos un 5%.
22. Pala de turbina eólica (1) según la
reivindicación 21, en la que la masa del líquido (8) dentro de la
cavidad (2) y que es móvil en la dirección de las oscilaciones está
ajustada de tal modo que los medios de amortiguamiento de
oscilaciones estén regulados para amortiguar las oscilaciones de la
segunda frecuencia natural de la pala (1) en el plano de rotación
con una magnitud equivalente a un decremento logarítmico de la
amplitud dentro del intervalo de 6-15%.
23. Pala de turbina eólica (1) según cualquiera
de las reivindicaciones 18 a 22, en la que la masa del líquido (8)
que es móvil en la dirección de las oscilaciones es equivalente a un
0,5% hasta un 2% de la masa oscilante equivalente de la pala (1) en
el segundo modo de oscilación natural en la posición radial de los
medios de amortiguamiento.
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